2025年6月，《Water Research》期刊在线发表了天津科技大学司传领团队题为“All-in-one self-cleaning lignin-derived spherical solar evaporator for continuous desalination and synergic water purification”的研究性论文。本研究通过将木质素衍生的碳掺杂g-C3N4（LCN）作为光热和光催化材料，为多功能太阳能蒸发器构建了一个有前景的框架，有效解决了海水淡化和污染物降解的挑战。《Water Research》期刊2024年影响因子为11.5，发表经过评审的原创研究论文，内容涉及全球人为水循环、水质及其管理的科学和技术的各个方面。
第一作者：李威
通讯作者：王冠华 司传领
通讯单位：天津科技大学
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太阳能驱动的光催化降解污染物和促进界面蒸发，已成为解决环境污染和淡水短缺问题的一种有前景的方法。然而，集成光热/光催化材料及其协同机制的理解仍不充分。在此研究中，通过合理设计木质素衍生的碳掺杂g-C3N4（LCN）作为光热/光催化材料，并将其与海藻酸钠和聚乙烯醇结合，后者作为亲水调节剂，随后与CaCl2交联，开发了一种球形蒸发器（LCNB）。LCNB能够自组装成动态平面系统，实现热定位，LCNB的重力变化导致其旋转，从而溶解沉淀的盐，实现连续脱盐。理论计算表明，碳掺杂能够减少带隙，从而提高光热和光催化效率。LCNB在1个模拟太阳光照射下实现了1.64 kg/m2·h的最大蒸发速率，在20wt%的NaCl溶液中连续运行12小时后，未观察到盐分积累，并且对四环素盐酸盐的光降解效率达到了85.64 %。总体而言，本研究通过将LCN作为光热和光催化材料，为多功能太阳能蒸发器构建了一个有前景的框架，有效解决了海水淡化和污染物降解的挑战，同时突显了可再生资源在先进材料开发中的潜力。
随着化石燃料的日益枯竭，开发环保型可再生能源技术变得愈发重要。其中，太阳能驱动的界面光热蒸发技术因其低能耗和可持续性，被视为传统脱盐方法的有力替代方案。然而，现有的太阳能蒸发器在处理含盐废水时，普遍面临盐分在蒸发器表面积累的问题。盐垢的形成不仅会阻碍光线的吸收，降低蒸发效率，还会影响设备的长期运行稳定性。此外，由于界面浓度极化现象，污染物也可能在蒸发器中积累，这进一步限制了现有技术的应用范围。为了解决这些问题，研究人员开始探索集成光热转换与光催化功能的多功能太阳能蒸发器。尽管石墨相氮化碳（g-C3N4）等半导体光催化剂具有优异的电子性质和可见光吸收能力，但其光催化活性仍受到较大带隙导致的可见光吸收有限的限制。同时，g-C3N4的光热转换效率也较低，通常需要与其他光热材料结合使用，但这种策略仍不足以解决其光热/光催化性能不佳的问题。因此，本研究旨在开发一种新型的自清洁型球形太阳能蒸发器，通过合理设计木质素衍生的碳掺杂g-C3N4（LCN）作为光热/光催化材料，并将其与海藻酸钠和聚乙烯醇结合，形成具有动态平面系统的球形蒸发器。这种设计不仅有望解决盐分和污染物积累的问题，还能提高光热转换和光催化效率，为太阳能驱动的水处理技术提供新的解决方案。同时，该研究也强调了可再生资源在先进材料开发中的潜力，为未来的可持续发展提供了新的思路。
开发了一种基于木质素衍生的碳掺杂石墨相氮化碳（LCN）的光热/光催化材料，显著提高了光热转换和光催化性能。设计了一种自清洁的球形蒸发器（LCNB），该蒸发器能够自组装成动态平面系统，通过重力变化实现旋转，溶解盐分，实现连续脱盐。
使用木质素作为碳源，充分利用了可再生资源，减少了对传统化石燃料的依赖。整个制备过程环保，符合可持续发展的要求。
图3. (a)蒸发装置的示意图。(b)不同蒸发器在一次太阳照射下的水质量变化。(c)不同蒸发器在一次太阳照射下的蒸发率变化。(d)在10天连续运行，每天运行10小时，在1个太阳照射下，蒸发器的蒸发率变化曲线。(e)不同太阳照射下LCNB的蒸发率。(f)不同太阳照射下LCNB的循环测试。(g)不同NaCl溶液浓度下LCNB蒸发器的蒸发率。(h)户外收集装置。(i)在20wt%的NaCl溶液中运行12小时后，蒸发器表面的照片。(j)LCNB的太阳能热转换过程，包括盐颗粒的生长和溶解。(k)LCNB自转的示意图。(l)脱盐前后盐水中的离子浓度。(m)纯化前MO和MB溶液的UV吸收光谱，以及收集的纯化水的相应光谱。
图4.(a)LCNB用于连续脱盐和降解污染物的示意图。(b)不同样品的TC降解曲线。(c) PL，(d) Tauc图，(e)能带结构，(f)光电流响应曲线，(g)CN和LCN的EIS。(h)在1太阳辐照下，添加不同自由基捕获剂时的TC降解速率。(i)不同自由基的贡献。（j-m）LCNB的EPR光谱。
图5.(a)CN和LCN的结构模型。(b)和(c)CN的HOMO和LUMO分布。(d)CN和LCN的电荷密度差计算结果。(e)LCNB光催化降解TC的机制示意图。
本研究开发了一种球形太阳能蒸发器，采用LCN作为双功能光热/光催化材料，实现连续脱盐和协同光催化的水净化。这种球形蒸发器能够自组装成一个动态平面系统，增强热能的集中利用；同时，蒸发过程中因重力变化引起的旋转有助于溶解沉淀的盐，从而实现连续脱盐。与未改性的CN蒸发器相比，含有LCN的蒸发器在光热/光催化性能上显著提高。本研究总体上证实了双功能蒸发系统通过集成光热/光催化材料，既能生成淡水又能同时实现废水净化过程的可能性。
W.Li, G. Wang, T.Li, et al. All-in-one self-cleaning lignin-derived spherical solar evaporator for continuous desalination and synergic water purification. Water Research. 2025, 282, 123932.
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资料整理：徐泽恩 李威
编 辑：环境与能源功能材料
【通讯作者】司传领，天津科技大学轻工学院及生物基纤维材料全国重点实验室教授、博导、科技处副处长、全国青联委员。入选国家“万人计划”科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才、国家林草局科技创新领军人才、天津市有突出贡献专家、天津市特聘教授、天津市科技创新领军人才等。入选ScholarGPS全球前0.05%顶尖科学家、科睿唯安“全球高被引科学家”、爱思唯尔“中国高被引学者”、美国斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”终身科学影响力和年度科学影响力榜单、Bentham Ambassador等。主要从事制浆造纸及生物质资源高值化利用方面的教学研究工作。以第一或通讯作者在Energy Environ. Sci、Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊发表论文200余篇（被引用>2.2万次，个人H指数78），授权国内外发明专利50余项。先后主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、教育部、人社部、天津市重点研发计划、企业委托课题，研究成果获教育部霍英东教育基金会高等院校青年教师奖、国家林草局梁希林业科技进步奖、中国商业联合会科技进步奖、中国轻工联合会科技进步奖、中国产学研合作促进会产学研合作创新成果奖等。
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