新型材料实现高效海水淡化，成本比超市矿泉水还便宜

联合国教科文组织的最新数据揭露了一幅严峻图景：在地球上，25%的人口正在面临“极度缺水”的困境。到2030年，全球淡水缺口可能高达40%。

面对这个数字，人们自然会把目光投向占地球表面七成的海洋。

然而，海水淡化从来都不是一件容易的事——它要么消耗大量电能，要么依赖庞大昂贵的基础设施。

太阳能界面蒸发因此被视为一条充满希望的绿色路径：利用光热材料将太阳能高效转化为热能，并将热量局域在水-空气界面以驱动海水蒸发，进而通过冷凝获取淡水。

图说：太阳能海水淡化概念图

来源：Magnific

原理听起来简单，但真正落地却并不容易。

最擅长吸收太阳光、转化热能的，往往是纳米尺度的粉体材料——它们比表面积巨大，光吸收能力出色。

可一旦要把这些极细的粉末做成一块可以实际使用的蒸发器件，麻烦就来了：纳米颗粒天生爱“抱团”，像面粉一样容易团聚，不仅堵塞水汽通道，还让三维结构变得松散脆弱。

而且，许多用来支撑这些颗粒的有机高分子基底，在长时间强光照射下会慢慢被自身产生的活性自由基攻击，像塑料在太阳下老化开裂一样，几个月后性能就大打折扣。

高性能粉体与实用化器件之间的障碍始终难以逾越。

近日，中国科学院过程工程研究所与深圳大学的联合团队，用一种做“针线活”的思路，巧妙地化解了这个问题。

他们开发出的新型3D材料，不仅使太阳能海水蒸发速率大幅提升，还通过户外试验装置，实现了从海水淡化到农业灌溉的初步探索。

更关键的是，该装置运行时间达到两年后，每立方米淡水的成本将比超市里的矿泉水更便宜。该成果发表于国际期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。

图说：可持续农业用一体化光伏-光热混合海水淡化系统

来源：中科院过程工程研究所

研究人员的灵感来源于“锁扣”——如果能把纳米颗粒变成一颗颗“扣子”，再用有机高分子“线”把它们牢牢缝在一起，不就能既防止团聚，又搭出坚固的三维骨架了吗？

关键在于选对“线”，并且让“线”恰好穿过“扣子”的孔。

研究人员首先实现了非晶五氧化二钽/碳（Ta2O5/C HoMS）复合材料的制备，这是一种拥有空心多壳层结构的纳米球壳。它像套娃一样，从外到内有好几层薄壳，每层壳上都布满纳米级微孔。

同时，研究团队算出聚酯高分子与各种溶剂的相容性参数，最终选定乙酸乙酯作为“穿针引线”的介质。

在80摄氏度的溶剂中，聚酯分子链像柔软的长线，顺着溶剂分子钻入球壳的层层孔隙，精准地“缠绕”在每一层壳的内外表面。

冷却之后，高分子链便像锁扣一样死死卡在壳层之间，把数以亿计的纳米球壳连成一片立体的“纳米森林”。

图说：光热材料的光学图像

来源：

多层球壳的结构让入射阳光在里面来回反射、多次散射，像光线在布满镜子的迷宫中穿梭，最终被捕捉吸收——整片材料的太阳光吸收率高达90.2%。

更妙的是，水分子被吸入这些纳米级的孔隙后，原有的氢键网络被“打散重组”，大量高活性的“中间水”取代了需要更多能量才能挣脱的“自由水”。

结果就是，蒸发同样多的水，所需能量降低了45.7%。在标准测试条件下，单根这样的蒸发体每小时每平方米能蒸发超过38公斤水，是团队此前二维薄膜器件的8.5倍。

不过，真正让这项研究走出实验室的，是一连串关于“好用”和“耐用”的证明。

首先，这种“锁扣”结构非常结实。团队把复合材料放在海水中以每分钟450转的速度连续搅拌30天来模拟极端恶劣的海况，结果在显微镜下几乎找不到一颗脱落的纳米颗粒。

同时，电子顺磁共振检测还显示，这种材料在光照下完全不产生超氧自由基或羟基自由基，相当于从根源上掐断了“自毁”的化学链条。这意味着，它可以在太阳下稳定工作数年而性能不衰。

有了稳定的光热材料，接下来就是把它融入一个完整的系统。

团队在中国科学院过程工程所廊坊工程试验基地，用20升反应釜实现了百克级的材料稳定量产——这为后续放大打下了基础。

接着，他们借助计算机流体模拟，优化了上千根蒸发纤维的排列方式，发现四边形阵列能让水蒸气最顺畅地散发出去，避免“蒸汽拥堵”。

基于此，他们搭建了一个0.75平方米的光伏-光热耦合系统：太阳能电池板驱动风扇，把蒸发产生的水蒸气主动输送到冷凝模块，实现淡水回收。

图说：具有模块化蒸发-冷凝分离的光伏-光热混合海水淡化系统5平方米示范地块；作物由该系统灌溉

来源：

在河北廊坊的户外测试中，这套装置在自然光照下一天收集了20.16升淡水——这些水足够约10个成年人一天的饮用需求，且水质经检测完全符合世界卫生组织饮用水标准。

更有说服力的是，这些水被用来灌溉一块5平方米的试验田，菠菜、玉米、小白菜等作物健康生长了一年，完成了从播种到收获的完整周期。

全生命周期成本分析表明，这套0.75平方米的系统每年平摊成本约540美元（约合人民币3675元）。

运行两年后，每立方米淡水的成本将低于市售瓶装水；而如果把规模扩大到12平方米，运行四年就能与北京的自来水价格持平。

来源：Getty Images

对于年均日照超过2800小时的沿海地区而言，这意味着太阳和海水组合，有望在不远的将来成为成本可接受的稳定淡水来源。