环境学院陈冠益/崔孝强团队在Energy & Environmental Science发表文章

成果简介

近日，天津大学环境科学与工程学院陈冠益/崔孝强团队在环境能源领域顶级期刊Energy & Environmental Science（IF_5Y=35.2）上发表了题为“Advanced solar-driven interfacial evaporation technology for resource and energy recovery”的Perspective论文，电子科技大学于淼教授和香港城市大学于桢研究员为论文共同通讯作者。该研究系统梳理了太阳能界面蒸发技术（SIE）在资源与能源回收方向的最新研究进展，并首次构建了针对相关过程的动力学与热力学分析框架，为设计下一代高效、可持续的SIE系统提供了理论依据与科学指导。

成果详情

1. 清洁水生产

当前，SIE系统在处理非挥发性废水方面已展现出良好的运行稳定性。然而，在处理含挥发性有机污染物（VOCs）的废水时，VOCs在蒸发冷凝过程中的共迁移问题严重制约了产水水质。现有拦截方法，如耦合高级氧化、吸附等技术，虽可实现99%以上的VOCs去除率，但蒸发速率、降解速率与VOCs截留效率之间的动力学关系仍缺乏系统揭示。针对这一关键问题，本研究首次构建了VOCs截留效率的耦合动力学模型。模型表明，提高降解速率常数与采用分级反应器设计是提升VOCs拦截效率的重要途径。此外，实际水体中多污染物共存的特点及二次污染物等问题，凸显了未来研究需聚焦于污染物选择性降解与资源化转化技术的开发。

图1 用于清洁水生产的SIE系统

2. 矿物回收

除盐生产外，SIE系统还可用于从海水等水体中回收具有重要战略价值的矿物元素，如锂、铀、硼、铯等。本文综述了近年来面向矿物元素回收的SIE系统的研究进展，并进一步提出了“蒸发诱导的多场协同吸附”调控机制。研究发现，在不同元素的提取过程中，各物理场（如热场、浓度场、电场等）的贡献比例存在差异，表明吸附剂本征物理化学性质主导着多场协同效应的实际表现。为提升系统在复杂水体中的资源回收效率，后续需重点开发具有高选择性的功能吸附材料，并构建“光热吸附膜分离”等多技术协同的集成系统，从而实现多种资源的高效和梯级回收。

图2 用于矿物回收的SIE系统

3．能源与燃料生产

本研究还系统梳理了SIE系统在水-电联产和燃料生产领域的相关进展。在水-电联产方面，光伏耦合系统因其较高的输出功率密度而展现出良好的应用前景。为提升其他SIE耦合发电系统的输出功率，仍需在材料设计和界面结构上进行深入优化。开发面向微功率需求的应用场景，如自供电、自清洁、生物传感等，可能成为推动SIE耦合发电系统走向商业化的关键路径。在燃料生产方面，SIE系统可与光催化或电催化过程相结合，用于制氢或合成氨等。总体而言，SIE耦合燃料生产系统主要通过以下机制发挥作用：降低反应能垒、提供纯净反应环境以避免设备腐蚀、浓缩反应前驱体或及时分离目标产物等。该耦合系统能够减少对传统电网和淡水资源依赖，从而构建更为节能与可持续的燃料合成路径。为全面评估SIE耦合燃料生产系统的性能，本研究以SIE耦合制氢为例，对不同工艺路线（SIE耦合电催化与SIE耦合光催化系统）进行了㶲分析。结果显示，SIE耦合电催化系统具有更高的实际㶲效率。研究进一步指出，未来需着力提升催化剂本征活性、优化系统能质传输匹配，并解决产物收集、纯化及系统长期运行稳定性等工程实践问题。

图3 用于电力回收的SIE系统

图4 用于燃料生产的SIE系统

【总结与展望】

SIE系统正从单一的“水净化”向“资源‑能源工厂”模式转变，在分布式海水淡化、废水处理、矿物提取与清洁燃料合成中展现出广阔前景。未来发展的重点包括：建立涵盖制备工艺、稳定性、环境与生命周期成本的材料评价体系；优化系统冷凝效率、提升系统集成度与规模化运行可靠性；发展基于成本‑效益分析与资源潜力的多产品优先级回收策略；结合地域气候、水质特征与政策支持，开展因地制宜的系统设计与生态影响评估。通过多维度协同创新，SIE技术有望为实现可持续水‑能‑资源循环提供关键技术支撑。

主要作者简介

第一作者：崔孝强，副教授/博士生导师，天津市首批青年科技人才，入选2025年度全球前2%顶尖科学家榜单，入选天津大学科技创新领军人才培育“启明计划”，担任Carbon Research和《土壤通报》等期刊青年编委、Processes编委以及天津市可再生能源学会碳中和专委会和生物质能专委会委员，研究方向为污染环境的绿色低碳修复与固废资源化，相关研究成果获得天津市自然科学二等奖、浙江省科技进步二等奖。近年来，主持国家自然科学基金、国家重点研发项目子课题等科研项目15项，教改项目2项；共发表SCI论文80余篇，以第一/通讯作者身份在Energy & Environmental Science，Water Research等期刊发表论文40余篇，5篇入选ESI高被引论文，单篇最高被引超500次，H-index 32；获国家发明专利授权17项，美国/欧洲发明专利授权各1项；主编学术专著1部，合作出版学术专著和教材3部，参编团体标准3项。

通讯作者：陈冠益，教授，天津商业大学校长、天津大学/西藏大学博士生导师，入选国家级人才计划及首批天津市杰出人才、全国优秀科技工作者。担任IEA（国际能源署）生物质能源-气化专题中国专家代表、ISO（国际标准化组织）/TC255小组召集人、本领域老牌期刊Biomass & Bioenergy副主编、EFM（Environmental Functional Materials）期刊主编。长期从事生物质/固废能源环境研究，先后主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、欧盟项目等一批项目。研究成果获国家科技进步奖一等奖/二等奖及省部级一等奖多项。发表论文600余篇，授权发明专利近百件（含美国、欧盟、日本等），主编专著6部和教材2本，登记软件著作权和主/参编国内国际标准多项。荣获第三届全国创新争先奖、第九届侨界贡献奖一等奖、国际生物过程学会Pandey杰出贡献奖等荣誉。2017年创建国际生物质/固废能源与环境会议（2年一届）。

通讯作者：于桢，香港城市大学博士后研究员。主要从事太阳能清洁利用与污水资源化利用、AI赋能的生物制造和多物理场调控等。曾主持国家重点研发计划子课题、博士后面上基金、国家重点实验室自主（开发）基金、企业委托横向等项目。以第一（含共一）或通讯作者在Nature Communications（3）、Matter（2）、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Angew. Chem. Int. Ed、Advanced Functional Materials、Environmental Science & Technology、ACS Nano、Nano-Mirco Letter、Science Bulletin（2）等SCI期刊上发表论文30余篇，授权国家发明专利4项。

通讯作者：于淼，哈尔滨工业大学/电子科技大学教授，博士生导师。先后入选国家级青年人才、国家级领军人才、四川省“天府峨眉计划”创新领军人才。主要研究方向为 (1) 低维材料的原子级精准合成和生长机理；（2）诊疗一体化纳米粒子的设计及应用；(3) 智能化高灵敏生物检测和传感器等。已发表SCI论文110余篇，包括Nat. Chem.、Nat. Mater.、Nat. Commun.、PNAS、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等，第一作者或通讯作者90余篇。获授权国家发明专利20余项。获省高校科学技术一等奖1项、省自然科学技术二等奖2项、中国发明协会创新创业奖一等奖1项。任Advanced Functional Materials顾问编委。