沙漠植物给的灵感：一体化太阳能海水淡化 + 重金属修复的静电纺丝仿生纳米纤维膜

一、研究背景

全球淡水资源短缺问题日趋严峻，水体重金属污染进一步加剧水资源危机。太阳能驱动界面蒸发技术凭借零碳、低能耗的优势，成为获取洁净水极具潜力的技术路线。目前大量生物质基太阳能蒸发器被开发出来，利用木材、纤维素、秸秆等原料实现海水淡化。

但现有生物质蒸发材料大多只聚焦产水，面对重金属废水时污染物捕获能力不足，复杂污水体系下结构-性能关联机制尚不清晰，集重金属去除与太阳能产水于一体的多功能生物质蒸发膜仍然十分稀缺。针对这一痛点，西南林业大学徐开蒙教授联合国内外多个研究团队从沙漠骆驼刺（Alhagi camelorum）获得启发，开发一体化生物质复合纳米纤维膜，同步实现重金属修复与太阳能界面蒸发。

二、核心创新点

骆驼刺被称为沙漠守护者，发达根系与分枝既可以在干旱环境吸收输运水分，还能够富集土壤中的铜、锌、铬、镍等重金属，同时带刺分枝结构强化太阳光捕获。研究团队复刻这种 “集吸水、固存重金属、捕光” 于一身的生物功能，设计出仿生层级纳米纤维膜NF_Cu。

1.静电纺丝复合基底构建

将纤维素、壳聚糖与 MIL-68 (In) 金属有机框架共混静电纺丝得到纳米纤维基底 NF。纤维素、壳聚糖大量羟基、氨基提供亲水输水通道与金属螯合位点；MIL-68 (In) 一维棒状孔道结构提升稳定性与比表面积，抑制 MOF 颗粒团聚。

2.废水中原位生长 CuO 纳米花

膜接触含铜废水时，依靠螯合、静电作用捕获Cu²⁺，铜离子在纤维表面原位转化生成 CuO 纳米花，不需要额外复杂水热步骤。CuO 纳米花的生长经历快速成核→氢氧化铜中间相各向异性生长→奥斯特瓦尔德熟化组装成花状结构，纤维直径可以调控纳米花的致密程度；最优 18 kV 纺丝电压制备得到超细纤维，表面 CuO 包覆最均匀致密。

3.催化活化界面水分子的新机制

CuO 纳米花不只是光热材料，更是催化界面。CuO/In₂O₃ p-n 异质结促进电荷转移，降低水分子解离能垒；DFT 理论计算证实，CuO 表面发生电荷重分布，削弱水分子内部 O-H 键，降低实际蒸发焓，不只是简单的光热加热，实现水分子预活化，助力高速产汽。

图 1 双功能NF_Cu膜的设计与表征

三、主要研究成果

经过参数优化，NF_Cu-1-18kV为最优样品，综合性能最佳：

1.重金属吸附性能

平衡吸附容量可达102.05mg/ g，铜离子去除效率 93.42%。纤维表面丰富螯合位点可以捕获废水中铜离子，在处理实际铜矿废水时，膜可直接从矿山废水中捕获约 2.0 mg 的Cu²⁺与部分铁离子、硫酸根离子，完成污染物固存。

2.光热与润湿性能

层级 CuO 纳米花构造多重光散射路径，实现宽光谱太阳光捕获；膜具备超亲水性，水滴接触 0.1 s 即可完全铺展。1 倍太阳光 (1kW/m²) 照射 50 s，膜表面温度快速升至 82.1 ℃，热成像证实热量被约束在蒸发界面，对下层水体的热损耗被有效抑制。

图 2 NF_Cu膜的吸附与光热性能

3.太阳能蒸发性能

1 个太阳光照条件下，蒸发速率达2.80kg/(m²·h)，光热-蒸汽转换效率高达98.95%，蒸发速率约为纯水的 5.1 倍，性能优于多数已经报道的贵金属、碳基太阳能蒸发器体系。

图 3 NF_Cu膜的太阳能蒸发性能

4.机制证实

DFT 计算显示第一层水分子解离能垒仅 0.0925 eV。CuO 表面通过 p-d 轨道杂化实现电荷重新分配，破坏水分子氢键网络，降低解离阻力，解释了超高转换效率的原子层面机理。

图 4 CuO 表面界面水分子活化的密度泛函理论（DFT）计算

四、研究意义

材料设计层面

提出 “废水诱导原位构建光热组分” 新思路，直接利用废水中重金属离子在生物质纤维上生长光热纳米结构，污染物本身转变为功能组分，实现 “以废治废”。

应用价值

全部原料基于生物质，可降解、成本低廉，面向重金属污染废水、矿山废水，一套材料同时完成重金属固存与清洁水产出，突破传统太阳能蒸发器只能产水无法处理重金属废水的短板。

机理贡献

区别于传统只关注光热效应的研究，证实 CuO 界面水分子预活化效应，为后续设计高效界面蒸发材料提供原子尺度的理论指导。

五、小结

这项工作受沙漠植物骆驼刺启发，开发纤维素-壳聚糖-MIL-68 (In) 电纺纳米纤维膜。膜在含重金属废水处理过程中原位生长 CuO 纳米花，既捕获去除重金属，又构筑高性能光热界面。在 1 倍太阳光照射下实现2.80kg/(m²·h)蒸发速率与 98.95% 光热转换效率。DFT 揭示 CuO 催化活化水分子的电荷转移机制。

该研究为开发低成本、多功能生物质太阳能水处理材料提供仿生设计范式，在重金属污染水体的太阳能净化领域具备很好的应用潜力。

DOI:10.1002/adfm.78338