近日，山東大學環境科學與工程學院張清哲研究員團隊在太陽能驅動的難降解廢水處理領域取得新進展。相關成果以“Ion-Regulated Water Activation in Plasmonic Aerogels for Highly Efficient and Salt-Resistive Solar Desalination”為題發表于國際期刊Adv. Funct. Mater. (2025,e14279) ，環境學院聯合指導博士研究生山祥城為該論文第一作者，張清哲研究員為通訊作者，山東大學為第一完成單位和獨立通訊作者單位。
 

　　在全球淡水資源日益緊缺的背景下，開發高效、可持續的海水淡化技術已成為應對水資源危機的關鍵方向。傳統的海水淡化方法如熱蒸餾和電滲析因高能耗和環境影響面臨挑戰，而界面太陽能蒸發(ISE)技術以其低成本、環保和可再生能源驅動的特點，成為解決淡水短缺的理想方案。然而，ISE技術在高鹽度或污染環境下常受限于鹽結晶、傳質效率低等問題，亟需創新材料和機制突破。
 

　　該研究開發了一種氮化鈦-聚酰亞胺氣凝膠(TiN/PIA)，通過有機冰輔助單向冷凍制備技術，構建了具有分級孔隙和定向水傳輸通道的結構，結合SPR光熱轉換和Hofmeister效應調控水合狀態，實現了優異的光熱蒸發廢水凈化及海水淡化性能。研究發現，TiN/PIA蒸發器在7wt%鹽水中的蒸發速率高達4.22 kg m-2h-1，超越在純水中的表現，在25wt%高鹽度條件下仍保持2.96 kg m-2h-1。Cl-通過霍夫邁斯特“鹽溶”效應降低水的蒸發焓，顯著提升水分子活化效率，同時有效抑制鹽結晶，確保長期穩定運行。
 

　　圖1.TiN/PIA可調的水輸運特性、太陽能驅動的界面淡化性能和離子介導的水活化行為。

 

　　在山東大學青島校區使用黃海海水進行的戶外實驗表明，蒸發率穩定在2.96 kg m-2h-1以上，主要離子濃度降低3-4個數量級，符合WHO和EPA的飲用水標準。此外，該蒸發器成功凈化了含砷和銻的廢水，凈化水對小麥種子發芽和E. coli生長均未表現出明顯的抑制作用。在戶外太陽光照射下，該系統在真實海水和廢水中連續運行8天無明顯性能衰減，展現出其優異的實用性和抗鹽耐污能力。所開發的陸海兩用蒸發凈水裝置(已申請中國發明專利)輕質便攜，可漂浮在海面上，實現太陽能自驅動海水淡化及廢水凈化，可適用于淡水缺乏的海島、輪船等離網、應急或基礎設施有限的場景。優異的耐鹽特性亦使其在高鹽工業廢水處理領域具有較大潛力。本研究合成了表面等離子體共振(SPR)增強的光熱氣凝膠蒸發器，為高效、抗鹽的太陽能廢水凈化及海水淡化提供了新的解決方案。
 

圖2.TiN/PIA基太陽能蒸發器的實際應用。
 

　　以上研究由山東大學環境科學與工程學院聯合中國科學院生態環境研究中心、中國科學院贛江創新研究院、英國謝菲爾德大學、加拿大國立科學研究院、美國佛羅里達國際大學等多方國際團隊完成。該研究得到了國家自然科學基金重點項目、面上項目、青年科學基金、山東省泰山學者青年項目和山東省優秀青年科學基金(海外)資助。