蒸發材料0715丨長安大學CEJ論文：梯度聚吡咯包覆的CS/PVA/β-CD/Fe?O? NPs磁性氣凝膠用于高效界面太陽能蒸發

2026年7月，《Chemical Engineering Journal》期刊在線發表了長安大學題為“Gradient polypyrrole-coated CS/PVA/β-CD/Fe?O? NPs magnetic aerogels for efficient solar interfacial evaporation”的研究性論文。該研究針對傳統界面太陽能蒸發器在弱光/無光條件下效率低、光熱層與水傳輸層功能難以協同等瓶頸，設計制備了具有梯度聚吡咯（PPy）包覆結構的磁性復合氣凝膠（CPC-PPy/Fe?O?）。其核心創新在于：以殼聚糖（CS）、聚乙烯醇（PVA）和β-環糊精（β-CD）構筑親水性三維骨架，通過擴散控制原位聚合法實現PPy由外至內的梯度氧化改性，形成“表面致密光熱層—內部多孔輸水層”的非對稱結構；同時引入Fe?O?納米顆粒，不僅與PPy協同增強寬譜光吸收（>92%），還可在外加磁場下通過磁熱效應（弛豫損耗產熱）提供輔助熱源，使蒸發器在光照不足或夜間仍能維持蒸發。研究表明，在1.0太陽光強下，最優樣品（氧化60 min）蒸發速率達4.20 kg·m?2·h?1，能量效率高達116.13%；在交變磁場下，磁熱蒸發速率可達1.62 kg·m?2·h?1。該氣凝膠還表現出優異的耐鹽性（20 wt% NaCl中穩定運行）、自清潔能力、對重金屬離子及有機染料的去除率（>99%），以及可磁性回收的實用優勢。《Chemical Engineering Journal》是Elsevier旗下國際著名學術期刊，該期刊2025-2026最新影響因子為15.1，屬于中科院工程技術1區Top期刊，主要刊登化學工程、環境工程及材料工程等領域的前沿研究成果。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.178957

識別上方二維碼訪問論文原文

界面太陽能蒸汽蒸發是緩解全球淡水短缺問題的一種綠色途徑。本研究開發了一種高性能復合氣凝膠CPC-PPy/Fe?O?，其以殼聚糖（CS）、聚乙烯醇（PVA）和β-環糊精（β-CD）為生物質基體，并添加了Fe?O?納米顆粒（NPs）和梯度聚吡咯（PPy）涂層進行增強。組分創新表明，Fe?O? NPs與PPy協同作用，通過協同光熱效應增強寬譜光吸收和表面加熱。此外，Fe?O? NPs的磁響應特性不僅使其易于通過磁性回收，還允許在外加磁場下通過磁熱加熱輔助蒸發。因此，該蒸發器即使在太陽照射有限或無照射的條件下也能維持有效的海水淡化，從而實現了光熱-磁熱混合蒸發器在全天候水淡化中的應用。在結構上，通過浸漬氧化法制備了“表面到內部”的梯度PPy層，形成了非對稱設計，在表面最大化光捕獲和隔熱的同時，確保底部的高效水傳輸。在1.0倍太陽光照射下，優化后的CPC-PPy/Fe?O?蒸發速率達到4.20 kg·m?2·h?1，能量效率為116.13%。該氣凝膠還表現出1.62 kg·m?2·h?1的磁熱蒸發速率，并在高鹽廢水中展現出優異的循環穩定性和自清潔潛力，為高效、抗污、全天候的海水淡化系統提供了一種新策略。

全球淡水資源短缺危機因工業化和人口快速增長而持續加劇，界面太陽能蒸汽蒸發（ISSG）作為一種將太陽能局域于蒸發表面、顯著降低熱損失的高效綠色脫鹽技術，近年來受到廣泛關注。在材料體系方面，殼聚糖（CS）和聚乙烯醇（PVA）因優異的親水性和低成本被廣泛用作氣凝膠骨架，而β-環糊精（β-CD）的引入則可憑借其“外親水、內疏水”的空腔結構和豐富羥基進一步改善親水性與孔結構，促進水分子傳輸；在光熱材料選擇上，聚吡咯（PPy）因具有覆蓋紫外至近紅外的寬譜吸收能力而成為理想候選，但傳統均勻填充方式常導致熱向下傳導加劇和內部傳質通道堵塞，限制了熱局域管理和持續供水性能。為此，構建具有空間功能分區的梯度/非對稱結構成為提升蒸發器效率的新方向，通過在表面富集光熱組分實現高效光捕獲，同時在內部保持低光熱組分濃度以維持通道暢通和抑制熱擴散，從而實現光吸收、熱傳導與水傳輸的協同優化。在此基礎上，引入Fe?O?納米顆粒（NPs）不僅可與PPy產生協同光熱效應進一步增強光吸收，其本征磁性還賦予材料便捷的回收能力；更為重要的是，Fe?O? NPs在交變磁場下可通過弛豫損耗實現磁-熱轉換，使蒸發器在陰天、弱光甚至夜間仍能獲得熱能供給，為全天候連續海水淡化提供了全新路徑。基于上述研究背景，本研究設計并制備了以CS/PVA/β-CD為親水骨架、通過擴散控制原位聚合構建“外密內疏”梯度PPy光熱層、并復合Fe?O? NPs的磁性復合氣凝膠（CPC-PPy/Fe?O?），旨在同步實現高效光熱轉換、快速水傳輸、耐鹽抗污、磁性回收及全天候運行等多重目標，為下一代可持續海水淡化和廢水處理技術提供新策略。

圖1. a) CPC-PPy/FeJx氣凝膠的制備工藝流程圖；b) CPC-PPy/FeJx應用示意圖；c) PPy光熱轉換機制示意圖；d) 四氧化三鐵納米顆粒光熱轉換機制示意圖；e) 四氧化三鐵納米顆粒磁熱轉換機制示意圖。

圖 2.a) CPC-PPy/FeJx氣凝膠的截面照片；b) CPC-PPy/FeJ60氣凝膠的超景深圖像。

圖3. a) CS/PVA氣凝膠、b) CPC氣凝膠、c) CPC-PPy/FeJ60氣凝膠內層、d) CPC-PPy/FeJ60氣凝膠外層、e) CPC-PPy/FeJ60氣凝膠內外層交界處截面、f) 用于EDS測試的CPC-PPy/FeJ60氣凝膠；g) Fe元素的EDS掃描圖像、h) N元素的EDS掃描圖像；i) CPC-PPy/FeJ60材料頂層、界面層及底層N1s峰的 XPS 譜圖。

圖4.a）CPC-PPy/FeJ60氣凝膠與CPC-PPy氣凝膠的傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）；b）CPC-PPy/FeJ60氣凝膠與CPC-PPy氣凝膠的 XRD ；c）CPC、CPC-PPy及CPC-PPy/FeJ60氣凝膠的 TGA ；d）CPC-PPy/FeJ60氣凝膠在海水潤濕狀態下的拉曼光譜；e）不同狀態下CPC-PPy/FeJx氣凝膠的差示掃描量熱（DSC）曲線；f）不同狀態下CPC-PPy/FeJx氣凝膠的蒸發焓；g）CPC-PPy/FeJ60氣凝膠的熱導率；h）CPC-PPy/FeJ60氣凝膠的接觸角；i）CPC-PPy/FeJ60氣凝膠的水傳輸實驗。

圖5. a、b）氣凝膠的紫外-可見光譜（UV–Vis）NIR 光譜。c）干燥狀態與d）濕潤狀態下氣凝膠在1.0光照下的溫度曲線；e）CPC-PPy/FeJx氣凝膠在1.0光照下的溫度曲線；f）CPC-PPy/FeJx氣凝膠在1.0光照下的紅外熱成像圖像；g）蒸發過程中熱量損失示意圖；h）CPC-PPy/FeJ60氣凝膠及雙層結構CPC-PPy/Fe氣凝膠的 COMSOL 模擬結果。

圖6. a) 蒸發實驗裝置示意圖；b) 不同組分氣凝膠的蒸發速率；c) 在1.0光照條件下，不同梯度的CPCPPy/FeJx氣凝膠的蒸發速率；d) 在1.0光照下，不同梯度的CPC-PPy/FeJx氣凝膠在1小時內質量變化；e) 不同溶液中CPC-PPy/FeJ60氣凝膠在1.0光照下1小時內的質量變化；f) 不同太陽光強度下CPC-PPy/FeJ60氣凝膠在1小時內的質量變化；g) 不同pH溶液中CPC-PPy/FeJ60氣凝膠在1.0光照下的蒸發速率；h) 不同pH溶液中CPC-PPy/FeJ60氣凝膠在1.0光照下運行5小時的蒸發速率；i) CPC-PPy/FeJ60氣凝膠在1.0光照下為期7天的長期蒸發試驗中的蒸發效率。

圖7.a) CPC-PPy/FeJ60氣凝膠及其蒸發后的 XPS 光譜；b) CPC-PPy/FeJ60氣凝膠及其蒸發后的Fe 2p峰；c) CPC-PPy/FeJ60氣凝膠在含20 wt%氯化鈉溶液中于1.0光照條件下8小時的蒸發速率；d) CPC-PPy/FeJ60在70分鐘內脫鹽過程的照片；e) CPC-PPy/FeJ60氣凝膠的壓縮測試；f) CPC及CPC-PPy/FeJ60氣凝膠的Zeta電位；g) 在1.0光照下蒸發前后水中污染物濃度；h) 蒸發過程的污染物去除效率；i) CPC-PPy/FeJ60對海水金屬離子的脫鹽性能。

圖8：a) CPC-PPy/FeJ60材料的磁光特性；b) 磁熱蒸發系統；c) CPC-PPy/FeJ60材料的磁熱溫度變化曲線；d) CPC-PPy/FeJ60材料光熱-磁熱循環蒸發速率；e) 外部蒸發實驗裝置；f) 外部蒸發實驗結果；g) 外部蒸發實驗中的環境溫濕度數據；h) 不同文獻報道蒸發器的蒸發速率與能效對比。

綜上所述，本研究成功設計了一種具有磁響應性能的多功能復合氣凝膠CPC-PPy/Fe?O?（CS/PVA/β-CD-PPy/Fe?O? NPs），其表面具有梯度聚吡咯（PPy）涂層，可用于高效界面太陽能蒸發。通過采用擴散控制的吡咯（Py）原位聚合技術，構建了獨特的“外密內疏”非對稱結構。該設計不僅確保了光吸收層的疏水性、耐鹽性和光熱效率，同時通過親水底部區域保持了毛細管水傳輸能力。系統的設計優化確定了最佳氧化時間為60分鐘。在1.0倍太陽光照射強度下，性能最優的CPC-PPy/Fe?O?氣凝膠實現了4.20 kg·m?2·h?1的優異蒸發速率，能量效率達到116.13%。機理研究表明，摻入的Fe?O?納米顆粒不僅拓寬了太陽光譜吸收范圍，還提供了輔助磁熱源，進一步使蒸發器能夠實現全天候、不間斷的蒸發和脫鹽。在磁場中，CPC-PPy/Fe?O?還可達到1.62 kg·m?2·h?1的磁熱蒸發速率。此外，梯度PPy結構與超親水的CS/PVA/β-CD骨架共同建立了平衡的“水-熱”管理系統。高度有序的微通道確保了快速的毛細管供水，同時促進了鹽離子的有效反向擴散，使系統即使在超高鹽度環境（20 wt% NaCl）中也表現出優異的耐鹽性。此外，CPC-PPy/Fe?O?氣凝膠的磁性能便于其回收利用，并保持了結構穩定性。這項工作表明，將磁場輔助蒸發與梯度結構設計相結合，為下一代太陽能脫鹽和廢水處理技術提供了一條穩健且可持續的路徑。

Chen Yang, Qing Han, Zheng Jiang, Yuyuan Tian, Ruyue Liu, Fuxin Zhao, Wilberforce Agbley, Xuechun Wang, Yan Dou, Jianyu Xing, Gradient polypyrrole-coated CS/PVA/β-CD/Fe3O4 NPs magnetic aerogels for efficient solar interfacial evaporation, Chemical Engineering Journal, 544, 2026, 178957, 1385-8947, https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.178957.

識別上方二維碼訪問論文原文

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

識別上方二維碼訪問課題組

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。

識別上方二維碼查看全文

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55次（Web of Science），國際引用占比73%，2025年5月起入選ESI高被引論文。

聲明： 1 、環境與能源功能材料公眾號分享國際生物質（殼聚糖、纖維素、木質素、海藻酸等）功能材料、太陽能蒸發材料、新型吸附材料、碳基（石墨烯、碳納米管、碳量子點、生物炭、富勒烯等）材料、 MOFs/HOFs/COFs 材料、光催化材料、 Fenton 材料、產氫材料等相關前沿學術成果，以及其它相關數據處理方法、論文寫作和論文投稿等信息，無商業用途。2、本公眾號尊重原創和知識產權人的合法權利。如涉及侵權，請立刻聯系公眾號后臺或發送郵件，我們將及時修改或刪除。3 、部分圖片和資源來源網絡或轉摘其它公眾號！凡注明 " 來源： xxx （非本公眾號） " 的作品，均轉載自其它媒體，轉載目的在于傳遞更多信息，并不代表本公眾號贊同其觀點和對其真實性負責，且不承擔此類作品侵權行為的直接責任及連帶責任。 4 、外文文獻翻譯目的在于傳遞更多國際相關領域信息。外文文獻由課題組研究生翻譯，因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大家批評指正。 5 、歡迎環境與能源材料相關研究成果提供稿件，環境與能源功能材料公眾號將會及時推送。聯系郵箱：EEmaterials@163.com ； 聯系微信號： LeoChuk 。