随着气候变化导致水资源分配不均及快速城镇化导致的用水需求激增，淡水资源紧缺问题日益制约着社会的发展甚至威胁着人类的生存。由于基础能源供应设备的缺失，使得传统的淡水获取技术难以普及。

空气中所含的水分占地表淡水资源的10%，是可望获取淡水的资源之一。湿气捕获作为一种新兴的淡水获取技术，以其经济环保、可行性高等特点受到了科学家们的广泛关注。除了以CaCl₂为代表的吸湿盐是日常生活中最为常见的吸湿剂外，科学家还研发了一系列如MOF、沸石、离子液体、水凝胶等湿气捕获材料，而解吸过程中巨大的能量壁垒却限制了材料的进一步发展。近年来，科学家发现太阳能作为一种可持续的绿色能源，能够通过光热材料转化为热能，由此可作为除湿的主要能源。因此，将光热材料与吸湿剂进行复合所制备得到的光热“吸湿-除湿”复合材料被广泛应用于湿气捕获过程。

然而，即使复合的材料也存在一些问题：MOF、沸石类材料吸湿性能好，工作湿度低，但吸附容量小，可用于少量水分的去除，作为水气捕获材料则需特别设计以提升容量；液体吸湿剂与凝胶材料吸湿与除湿速率均较慢；吸湿盐类吸湿剂尽管性能好，容量大，应用最为广泛，但复合在材料中面临两个问题：1. 吸收湿气形成液体后易流出材料导致流失；2.光热蒸发过程中，灌注在材料内部的吸湿盐容易随液体迁移至材料表面结晶析出。

图1 太阳能驱动三明治结构木头工作原理示意图

为了解决上述问题，研究团队提出了一种具有“超疏水-亲水-超疏水”三明治结构的木头作为吸湿容器。吸湿剂CaCl₂被事先储存在亲水层中，表面和底面的疏水层能够起到“水蒸气-液态水”阀门的作用：水蒸气可以通过木头的孔结构扩散进入内部发生吸附，一旦形成液体后，疏水层则会对液态水进行阻隔，阻止液态水的渗出，从而解决吸湿剂随液体流出及爬升到表面的问题。另一方面，木头表面通过交替沉积形成的蜡烛灰/PDMS涂层赋予木头光热性能，能够在光照下实现除湿过程。上述木头还可被装于房屋顶端，通过室内吸湿与室外蒸发过程，实现湿度泵出效应，有效降低室内湿度。

图2 三明治结构木头与普通木头在防止盐水流失，吸湿储量，防止内部吸湿盐析出结晶性能的对比实验，以及其长效性实验。

相关成果以“Sandwich-structured photothermal wood for durable moisture harvesting and pumping”为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊，第一作者为20级硕士生李玉堂，通讯作者为杨皓程副教授及Argonne实验室Seth Darling 博士，论文第一单位为中山大学化工学院。

污水处理与回用是获取淡水的另一有效途径。工业废水、油田废水以及厨余废水等含油污水的排放对环境造成了不利影响，若能对其进行净化处理，则能让含油废水成为淡水的获取来源之一。传统的脱脂、吸附、原位燃烧以及压力过滤膜分离等传统处理技术，都存在能耗大和设备要求高等问题，对于贫穷落后及偏远的国家和地区，难以承担水处理设备的建设和日常维护费用。光热辅助界面蒸发技术是一种新兴的、可持续的淡水获取技术，在海水淡化、污水处理等领域具有广阔的应用前景，有望取代传统的含油废水处理技术。

然而，在利用该技术分离油水乳液的过程中，传统的光热蒸发器件存在以下问题：1、为了保证充足的水供给，传统光热蒸发器一般采用大孔材料作为水供给通道，而在处理油水乳液时，不易挥发的油滴就会随着水一同进入其传质通道，水蒸发后油滴易堵塞通道影响器件性能；2、在处理易挥发的油水乳液时，由于乳滴被传输到光热层，在加热过程中与水一同蒸发，影响产水品质。

图3 聚合物膜蒸发器的制备流程及其工作原理示意图

为解决上述问题，课题组结合了聚合物分离膜的孔径筛分能力与光热蒸发，提出了一种面向油水乳液分离的聚合物膜蒸发器。利用多孔膜的截留性能，通过将膜主体悬于乳液上、两端浸入乳液，将传统的跨膜传递过程转变为面内毛细传递，实现了蒸发界面与截留界面、加热界面与乳液的有效分离。本研究以聚丙烯微孔膜为基膜，利用氧化剂加速的多巴胺沉积过程，实现膜表面的超亲水/超疏油化及光热化改性；将光热膜制成上述蒸发器件，该构型可大幅提高蒸发面积并减少热量损失，膜表面出现温度梯度，实现了光热蒸发与环境蒸发的耦合，最高蒸发速率可达1.64 kg/m²∙h，能够持续地对挥发/不易挥发的多种含油乳液实现油水分离，其分离效率大于98.8%。

图4 聚合物膜蒸发器的抗油性能、蒸发性能、长期稳定性、分离效率以及户外产水实验

相关成果以“Suspended membrane evaporators integrating environmental and solar evaporation for oily wastewater purification” 为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊，第一作者为19级硕士生吴绍霖，通讯作者为杨皓程副教授及Argonne实验室Seth Darling 博士，论文第一单位为中山大学化工学院。

此外，受Environmental Science: Water Research & Technology期刊编辑邀请，课题组总结了光热蒸发材料在水处理材料领域最新进展，发表了题为“Solar-driven evaporators for water treatment: challenges and opportunities”的综述论文，论文第一作者为19级硕士生吴绍霖，第一单位为中山大学化工学院。该论文被选为2021年当年第一期封面论文，并入选最新的ESI高被引论文。