6月22日，据中国科学院过程工程研究所官方消息，过程工程所研究员杨乃亮和深圳大学教授王丹团队联合提出一种“高分子穿插束缚纳米颗粒”的三维集成策略，利用高分子链锁扣中空多壳层结构（HoMS），构筑出3D光热架构，在实验条件下实现了38.14 kg m-2 h-1的光热界面蒸发速率，并集成光伏-光热耦合系统，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。相关工作于6月21日发表在Advanced Materials上。
太阳能驱动界面蒸发凭借绿色低碳、安全高效的优势，成为极具前景的淡水生产技术，该技术的核心是高性能光热材料。纳米粉体材料因比表面积大、能带结构可调，展现出优异的光热转换性能。但在三维宏观组装中遇到两大难题：一是结构化组装难题，颗粒易团聚，导致效能衰减，且三维结构强度低、成本高；二是长期稳定性难题，光催化效应会降解有机框架，加速材料老化，制约实际应用。因此，开发兼具高光热效率、高效水输运与结构稳健性的材料体系，是该技术突破的关键。
研究团队此前已开发出基于HoMS的二维蒸发膜材料，蒸发速率达4.02 kg m-2 h-1，当年创下纪录数值（Adv. Mater. 2022, 34, 2107400）。在此基础上，团队进一步攻克了材料宏量制备与三维集成核心瓶颈，采用次序模板法，在过程工程所廊坊工程试验基地进行放大，通过20 L水热釜与多温区隧道炉精准调控，实现了非晶五氧化二钽/碳复合中空多壳层材料百克级稳定量化制备。随后，利用汉森溶度参数理论，将PET分子链穿入HoMS多孔壳层，形成牢固的锁扣结构，经海水加速老化试验，30天无颗粒脱落。Ta2O5/C HoMS在光照下无活性自由基产生，解决了有机基底降解问题。该复合结构在微纳尺度上呈现“纳米森林”形貌，实验数据显示，通过多重光散射与吸收通道，全太阳光谱吸收率达90.2%。同时，纳米限域效应重构水分子氢键网络，使水体蒸发能耗降低45.7%，蒸发速率较前期的二维薄膜提升了8.5倍。
团队进一步开发了蒸发-冷凝分离的模块化光伏-光热耦合系统，通过计算流体动力学模拟优化四边形排布阵列，建成0.75 m2户外试验装置。在自然光照下，该装置日产淡水20.16升，可满足约10人的基本饮水需求，水质符合世界卫生组织（WHO）饮用水标准。装置产水已成功用于5 m2农田的全年灌溉，菠菜、玉米、白菜等多种作物已完成一个全生长周期。根据全生命周期成本分析，该套装置运行2年后，产水成本将低于市售瓶装水，如进一步规模化或长期使用，经济优势将更加显著。目前，研究团队正在优化冷凝效率和系统成本，推动该技术在沿海缺水地区、海岛及偏远地区的规模化应用。
