蒸發材料0622丨青島大學CEJ論文：基于面條小麥蛋白泡沫制備的具有垂直通道和分級孔結構的高效太陽能界面蒸發器

2026年，國際期刊《Chemical Engineering Journal》在線發表了題為“High-efficiency solar interface evaporator with vertical channels and hierarchical pores structure prepared from noodle wheat protein foam”的研究論文。該研究以日常面條為原料，通過逐步脫除淀粉、硼酸鹽交聯增強和表面快速碳化，成功制備出具有長程垂直通道和分級多孔結構的小麥蛋白泡沫基太陽能蒸發器（CB?NWPF）。這種獨特的結構設計協同促進了毛細作用的快速水傳輸和鹽分的自發回流，同時硼酸交聯賦予了材料優異的抗菌性能。在1倍太陽光照下，該蒸發器實現了3.62 kg·m?2·h?1的蒸發速率和95.6%的能量效率，且在20 wt%高鹽水中仍保持2.44 kg·m?2·h?1的穩定蒸發。光譜分析與熱力學表征證實，大量親水基團誘導形成高比例的中間水（IW/FW=0.797），顯著降低了等效蒸發焓（約951 J/g）。長期循環測試、抗鹽自清潔實驗以及戶外實際海水淡化驗證均展現了其出色的耐久性和實際應用潛力。《Chemical Engineering Journal》是愛思唯爾（Elsevier）旗下在化工與環境工程領域的頂級期刊，重點關注先進材料、過程強化、能源與環境交叉研究。該工作突破了傳統生物質基蒸發器因淀粉溶脹堵塞孔道、蛋白質網絡易塌陷及缺乏抗菌性的瓶頸，通過簡單的“脫淀粉?交聯?碳化”工藝，將廉價食品原料轉化為高性能光熱蒸發器，為開發可持續、低成本、可規模化的太陽能海水淡化技術提供了全新的材料設計思路。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175021

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應對全球淡水短缺問題，亟需可持續的海水淡化技術。太陽能驅動的界面蒸發為高能耗的傳統方法提供了一種有前景的替代方案。本研究報道了一種以面條小麥蛋白泡沫為原料制備的高性能生物質基太陽能蒸發器（CB?NWPF）。通過脫除淀粉、硼酸鹽交聯和表面碳化工藝，該蒸發器形成了長程垂直通道和分級多孔結構。這種獨特的結構協同促進了快速的毛細水傳輸和高效的鹽分回流。在1倍太陽光照下，CB?NWPF蒸發器達到了（3.62±0.04）kg·m?2·h?1的高蒸發速率和（95.6±1.1）%的優異能量效率。同時，該蒸發器表現出卓越的長期穩定性、出色的耐鹽性和抗菌效果。這項工作為利用生物質資源開發高性能太陽能蒸發器提供了一種新策略。

全球淡水資源僅占水循環總量的約2.5%，其中可供人類直接利用的不足1%，而海水占比高達96.5%。隨著人口增長和氣候變化加劇干旱，開發低成本、低碳的海水淡化技術已成為緩解淡水短缺的關鍵。傳統的淡化方法如反滲透、多級閃蒸和多效蒸餾，普遍存在能耗高、設備損耗大、基礎設施要求嚴格且依賴化石燃料等問題。近年來，太陽能驅動界面蒸發技術憑借其直接利用太陽能、能耗低、碳排放少、裝置簡單且適合分布式應用等優勢，被認為是一種極具前景的可持續淡水生產方式。在蒸發器材料選擇上，氣凝膠和泡沫因其高比表面積、低密度和低熱導率而備受青睞，其中親水性合成高分子（如PVA、PAM）雖能有效輸運水分并降低蒸發焓，但成本較高；生物質材料因環境友好、可再生和天然多孔性而成為理想候選，然而實際應用中普遍面臨兩大瓶頸：缺乏抗菌性易導致微生物堵塞孔道，以及耐鹽性差限制了高鹽環境下的穩定運行。同時，常見的光熱層材料（如碳基材料、金屬納米顆粒）存在成本高或穩定性不足的問題，而直接碳化生物質則提供了一種低成本替代方案。此外，通過定向冷凍、模板法等先進工藝構建垂直通道和分級孔結構，已被證實能夠有效促進定向水傳輸并引導鹽分回流，從而提升蒸發和耐鹽性能。基于以上挑戰，本研究以面條為原料，利用其小麥蛋白的天然親水性，結合脫淀粉、硼酸交聯和表面碳化處理，開發出具有長程垂直通道和分級多孔結構的生物質基太陽能蒸發器，旨在同時解決抗菌、耐鹽和高效蒸發等關鍵問題。

• 利用面條中的小麥蛋白制備了一種高效太陽能界面蒸發器。

• 在1倍太陽光照下，實現了3.62 kg·m?2·h?1的高蒸發速率和95.6%的能量效率。

• 得益于快速的水傳輸和鹽分回流，該蒸發器具有出色的抗鹽結垢性能。

• 硼酸鹽交聯增強了結構穩定性，并賦予其強大的抗菌功效，抑菌率超過99.9%。

圖 1. CB- NWPF 的制備方法

圖2.a）小麥面條至CB- NWPF 的制備過程；b）FTIR 譜圖；c）CDG的掃描電鏡圖像；d）CB- NWPF 橫截面的掃描電鏡圖像；e、f）CB- NWPF 縱向截面的掃描電鏡圖像；g）CB- NWPF 的EDS元素分布圖。

圖3.a）DG、b）B- NWPF 、c）B- NWPF 及d）DG的接觸角與水轉移性能關系。

圖4.a）UV- NIR 光譜；b）B- NWPF 與CB- NWPF 在單次光照下的溫度變化曲線；c）純水、CDG及CB- NWPF 在單次光照下的質量變化曲線；d）CB- NWPF 在純水中經歷的十次蒸發循環；e）CB- NWPF 在不同太陽輻照度下的蒸發速率；f）差示掃描量熱法（DSC）結果；g）蒸發速率與太陽能至蒸氣轉化效率；h）純水與i）CB- NWPF 的拉曼光譜；j）水相態示意圖。

圖5.a) CB- NWPF 在不同氯化鈉濃度溶液中的蒸發速率；b) CB- NWPF 在3.5 wt%氯化鈉溶液中經過十次蒸發循環后的變化；c) Na?濃度的變化；d) CB- NWPF 和e) CDG在20 wt%氯化鈉溶液中的蒸發速率；f) CB- NWPF 在鹽溶液中循環后的掃描電鏡圖像；g) 鹽回流能力；h) CB- NWPF 的鹽回流示意圖。

圖6.a）蒸發裝置；b）主要離子濃度；c）重金屬離子濃度；d）鉬（Mo）的紫外-可見光譜；e）錳（MB）的紫外-可見光譜；f）pH值；g）CB- NWPF 的抗菌效果；h）室外溫度、濕度及光照強度；i）相應的蒸發速率與質量變化。

總之，利用面條小麥蛋白泡沫開發出了一種高效太陽能蒸發器（CB?NWPF）。該蒸發器的設計充分利用了小麥蛋白的天然親水性以及分級多孔和垂直通道結構。在1倍太陽光照下，它實現了（3.62±0.04）kg·m?2·h?1的優異蒸發速率和（95.6±1.1）%的能量效率。關鍵結果表明，CB?NWPF具有優異的光熱轉換性能、高效的水傳輸能力，并且由于中間水的形成，顯著降低了水的蒸發焓。此外，該蒸發器具有出色的耐鹽性，在20 wt% NaCl鹽水溶液中仍保持2.44 kg·m?2·h?1的高蒸發速率，并在3.5 wt%鹽水中經過10次循環后性能穩定。硼酸鹽的引入不僅增強了結構穩定性，還賦予了材料強大的抗菌性能。綜合實際應用評估，包括海水淡化、復雜廢水凈化以及戶外實驗，均明確驗證了該蒸發器的穩健性和廣泛適用性。因此，本研究為制備可持續的生物質基太陽能蒸發器提供了一條可行且創新的路徑。

Bin Wang, Chao Xu, Hao Liu, Hanxiao Shi, Hailing Shi, Ruihao Ge, Kui Liu, Yixuan Wang, Fengyu Quan, Xing Tian. 2026. High-efficiency solar interface evaporator with vertical channels and hierarchical pores structure prepared from noodle wheat protein foam. Chemical Engineering Journal, (in press), 175021. https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175021.

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資料整理：雷幸悅（陽光凈水）

編輯：環境與能源功能材料

雷幸悅（陽光凈水課題組）

【資料整理】雷幸悅：資源與環境碩士研究生。

陽光凈水課題組：主要研究方向為生物質基環境功能材料、太陽能蒸發材料、磁性吸附材料、污染物吸附和環境催化反應機理。課題組主頁：

https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

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殼聚糖丨纖維素丨MOF材料丨石墨烯丨碳納米管丨MXenes丨硫化鉬丨催化材料丨蒸發材料丨吸附材料丨電極材料丨除磷材料丨產氫材料

2025年9月，國際TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發表了陽光凈水課題組題為“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的綜述性論文。根據Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述多功能和可持續殼聚糖基界面蒸發材料在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本文總結了殼聚糖基太陽能界面蒸發器（CS-SIE）四種類型（水凝膠、氣凝膠、海綿和膜）、五種改性材料和在水污染控制中應用。最后，總結了CS-SIEs在際應用中仍面臨挑戰。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環境、制藥、食品等領域的工業應用，最新中科院分區：8.50/二區TOP期刊。

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2024年06月08日，國際期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發表了陽光凈水課題組題為“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”綜述論文。根據Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述殼聚糖基異相催化劑在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本綜述概述了金屬氧化物/殼聚糖基復合材料（MOs@CSbMs）、金屬硫化物/殼聚糖基復合材料（MSs@CSbMs）、鉍基半導體/殼聚糖基復合材料（BibSCs@CSbMs）、金屬有機框架/殼聚糖基復合材料（MOFs@CSbMs）和納米零價金屬/殼聚糖基復合材料（NZVMs@CSbMs）等5種Cat@CSbMs材料的制備策略及作為助催化劑、光催化劑、類芬頓試劑在處理各類廢水中的應用進展。該綜述不僅加深了對環境功能材料與環境污染控制作用的理解，也為未來Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和還原金屬離子等相關領域的研究提供了參考和啟示。該論文自2024年6月發表以來，現已被引用56次（Web of Science），國際引用占比73%，2025年5月起入選ESI高被引論文。

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2024年 12 月 24 日，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發表了 陽光凈水課題組 題為 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 綜述論文。本綜述全面總結了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高廢水處理和水凈化的有效改性策略，并重點闡述了MoS2bMats在環境污染物吸附、光催化降解和還原、Fenton高級氧化、PMS/PS活化氧化、廢水脫鹽（膜過濾和太陽能蒸發脫鹽）等方面的應用。最后，討論并提出了 MoS 2 bMats 理論研究與應用之間存在差距、工程挑戰、未來的研究方向和機遇。 該論文自 2024 年 12 月線上發表以來，現已被引用31 次（ Web of Science ）。

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2024 年 1 月，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊發表了陽光凈水課題組題為 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的綜述性論文。更清潔、更安全的環境是未來最重要的要求之一。與傳統材料相比，殼聚糖具有豐富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和親水性，是一種更環保的功能材料。由于殼聚糖分子鏈上豐富的 -NH2 和 -OH 基團可以有效地與各種金屬離子螯合，殼聚糖基材料作為金屬氧化物納米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撐基質具有巨大的潛力。近年來，許多殼聚糖 / 金屬氧化物納米材料（ CS/MONM ）作為吸附劑、光催化劑、非均相類芬頓試劑和傳感器，在環境修復和監測中具有潛在和實際的應用。本綜述全面分析和總結了CS/MONMs復合材料的最新進展，這將為CS/MONMs復合材料的制備和廢水處理應用提供豐富而有意義的信息，并有助于研究人員更好地了解CS/MONMs復合材料在環境修復與監測中的潛力。該論文自 2024 年 1 月線上發表以來，現已被引用69 次（ Web of Science ），國際引用占比65.0%。

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2024 年 2 月，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發表了陽光凈水課題組題為 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的綜述性論文。污染物檢測和水凈化對于實現環境保護和資源利用非常重要。構建新型功能材料去除各種污染物也變得越來越重要和緊迫。本綜述總結了磁性殼聚糖（M-CSbMs）的3種可靠制備策略（原位策略、兩步策略和沉積后策略），并詳細介紹了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金屬離子、有機染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低濃度污染物等方面的研究進展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面臨的挑戰和前景，以期促進其在水凈化和固相萃取污染物方面的實際應用。該論文自 2024 年 2 月發表以來，現已被引用 51 次（ Web of Science ）。

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