除水资源外，海洋还蕴藏锂、铀等具有重要战略价值的关键元素。太阳能界面蒸发技术可以通过局域光热转换实现高效蒸发，但多数研究仍以提高蒸发速率和淡水产量为主要目标。太阳能输入过程中产生的电能、热能以及蒸发诱导的物质传输过程尚未得到充分协同利用。基于此，本研究提出了一种吸附耦合式太阳能资源分离器（ASP），通过太阳能的梯级利用及多场耦合协同作用，实现了电力、清洁水、锂和铀的同步生产与回收。相关研究以 “Solar-powered resource separator for clean water production, electricity generation and critical resource recovery” 为题发表于 Nature Water。香港城市大学吕坚院士为论文唯一通讯作者。香港城市大学Zhen YU博士和苏州大学Can Ge博士（现为香港中文大学博士后研究员）为论文共同一作。
如图1所示，该系统以商业光伏组件作为太阳能利用界面，一方面将部分入射太阳能转化为电能，另一方面进一步利用光伏组件产生的热量驱动界面蒸发，并通过多级蒸发–冷凝实现冷凝潜热的逐级回收与再利用，从而提高太阳能的综合利用效率。与此同时，功能化毛细蒸发界面被赋予选择性离子吸附能力，并通过多物理场的强化作用，实现锂、铀等关键资源的富集与捕获。由此，ASP 将传统太阳能淡化中的单一产水过程拓展为集光伏发电、清洁水生产和关键资源回收于一体的多产品协同体系，实现了太阳能能量流与海水物质流的耦合利用。
图1 ASP的结构和工作原理
如图2所示，ASP采用经典多结蒸发结构。针对海水中铀和锂的选择性回收，研究人员分别构建了铀吸附界面（SAU）和锂吸附界面（SALi）。考虑到海水资源提取材料往往需要同时满足高选择性、高吸附容量、快速吸附动力学及良好循环稳定性等多重要求，单一性能指标难以准确反映材料的综合适用性，因此本研究引入TOPSIS方法，对其综合性能进行定量排序。同时，ASP采用宏观单向流动蒸发结构，使海水沿毛细芯层持续由入口向出口输运，利用对流传质抑制局部盐分累积，并在流动过程中逐渐浓缩海水。COMSOL模拟显示当进水盐度低于约7%时，毛细芯的出水浓度仍处于未饱和状态。因此，ASP能够在降低结盐风险的同时持续浓缩海水，为后续高价值离子的强化提取创造有利条件。
图2 ASP的设计及表征
如图3所示，在单级体系中，随着太阳光强由 0.5 sun 提升至 1.5 sun，光伏输出与产水速率同步增加，同时太阳辐照显著强化了关键离子的捕获。在加标海水中，SAU在1 sun 下对铀的吸附量达到 1.44 g m-2，约为暗场吸附的3.3 倍；SALi 对锂的吸附量达到 2.2 g m-2，约为暗态的 3.1 倍。在此基础上，通过多级蒸发–冷凝过程对潜热进行梯级回收，ASP 的产水与资源提取能力进一步得到放大：当系统由单级增加至六级时，产水率由 1.26 提升至4.01 kg m-2 h-1；根据辐照面积归一化后，其整体铀、锂吸附能力相较暗场吸附条件分别提高 10.6和9.2倍。与已有资源提取技术相比，该体系进一步体现出同时获得清洁水、锂和铀并兼顾光伏发电的多产品集成优势。
图3 ASP的多产物提取性能
图4进一步揭示了 ASP 中太阳能强化关键资源提取的多物理场协同机制。以加标海水为例进行分析，太阳辐照驱动界面蒸发的同时，在功能毛细芯层中建立相互耦合的温度场、流场和浓度场：局域升温一方面加快离子扩散，另一方面有利于克服吸附过程的能垒；与此同时，蒸发诱导的法向对流与切向毛细流持续将主体溶液输送至吸附界面，削弱表面浓度边界层并加速离子传质；持续水分蒸发还进一步形成局域浓度梯度，提高目标离子的化学势驱动力，从而促进吸附过程。通过吸附增强当量和增强比例的半定量分析，研究进一步发现，不同物理场对不同离子的强化作用并不相同：浓度场对铀吸附的促进更为突出，而温度场与流场的协同作用对锂吸附更加重要。更重要的是，在真实海水的痕量离子浓度下，由于本征浓度梯度减弱，扩散驱动力受到限制，流场的相对贡献进一步提高，在第六级SAU和SALi中分别可达到约 71%和78%。因此，在ASP中，蒸发过程可以作为驱动离子传输和资源提取的主动传质引擎。
图4 ASP的多产物强化提取机制
图5进一步从户外运行、技术经济性和生命周期环境影响三个层面评估了ASP的实际应用潜力。在真实太阳辐照和自然海水条件下开展的户外实验表明，ASP 的光伏输出和产水性能能够随太阳辐照变化稳定响应，峰值光伏输出达到 154.7 W，日淡水产量达到 19.82 kg m-2；与此同时，系统能够直接从真实海水中回收锂和铀，其吸附容量分别达到 4.50 mmol m-2 和 2.64 μmol m-2，并在复杂共存离子环境下保持较高选择性，验证了水、电与关键资源协同生产在实际海洋环境中的可行性。在此基础上，技术经济分析进一步表明由于系统能够将设备和运行成本分摊至电力、淡水及关键资源等多种增值产品，其综合经济性得到进一步提升，并且随着功能毛细芯层使用寿命延长，年净收益可稳定在 US$20 m-2以上。
图5 ASP的实际应用性能
