《Light-Science & Applications》：Additive-free and brine-discharge-free solar-thermal desalination with simultaneous complete mineral mining from ocean water
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太阳能热界面蒸发是应对全球淡水需求持续增长的可持续方案。然而，在处理实际海水时，蒸发器表面的盐积累与卤水排放是限制性能并引发环境风险的核心问题。研究人员利用飞秒激光表面加工技术，制备了一种多功能超润湿黑色金属（superwicking black metal,
太阳能热界面蒸发是应对全球淡水需求持续增长的可持续方案。然而，在处理实际海水时，蒸发器表面的盐积累与卤水排放是限制性能并引发环境风险的核心问题。研究人员利用飞秒激光表面加工技术，制备了一种多功能超润湿黑色金属（superwicking black metal, SWBM）面板，该面板可牵引表面薄水膜逆重力上行，近乎完全吸收太阳辐射，且最关键的是能将结晶盐自动从活性区域转移至被动区域，实现自清洁与集盐。该SWBM作为一种高能效、自维护、无添加剂且无卤水排放的光热界面结晶器（additive-free and brine-discharge-free solar-thermal interfacial crystallizer, ABF-STIC），可直接从海水中同步生产淡水并提取几乎所有盐分。这种自清洁效应源于咖啡环效应（coffee ring effect）与盐爬移（salt creeping），且可通过加深加宽沟槽增强，即便处理真实海水也能实现自清洁。该ABF-STIC可追踪太阳，连续运行一周净化实际海水，在一个太阳光照下实现平均蒸发速率1.76±0.04 kg m?2h?1，盐收集速率61.74±2.46 g m?2h?1，对应约74%的太阳能到蒸汽转换效率与近100%的盐提取率。
该研究针对全球淡水短缺与传统工业海水淡化能耗高、回收率低、卤水排放造成生态破坏的痛点展开。传统反渗透（RO）与多级闪蒸系统回收率仅0.42与0.22，每淡化1立方米海水产生0.6至6.7千克二氧化碳，且58%至78%的进水以有害卤水形式排放，污染水体与土壤。同时，陆地矿产枯竭使得从海水中提取锂、铀等高价值元素成为迫切需求，但现有零液体排放（zero liquid discharge, ZLD）技术依赖大面积蒸发池，效率低且易污染地下水。太阳能热界面蒸发虽具可持续性，但传统蒸发器依赖封闭多孔输水网络，在处理含镁、钙等非多孔晶体的真实海水时极易发生毛细管堵塞，此前研究多依赖模拟海水、化学添加剂或夜间溶解、机械清洗来维持运行，无法实现真正的无添加剂、无排放连续运行。
研究人员开发了基于飞秒激光加工铝箔的多功能超润湿黑色金属（SWBM）面板，构建了无添加剂、无卤水排放的光热界面结晶器（ABF-STIC）。该器件通过优化微沟槽结构平衡输水、吸光与抗堵性能，结合咖啡环效应与盐爬移机制实现自清洁。实验采用美国纽约火岛大西洋海水、南非厄加勒斯角大西洋与印度洋海水、美国洛杉矶太平洋海水等多源样本，通过双天平原位平台连续监测7天，验证了其在真实海水下的稳定淡水生产与全矿物提取能力，并集成太阳能追踪系统完成户外实证。研究证实该技术可实现约74%的太阳能到蒸汽转换效率与近100%的盐提取率，同步回收钠、镁、钾、钙及金、铯、溴、铀等战略资源，成果发表于《Light: Science & Applications》。
关键技术方法包括：1. 飞秒激光一步法制备具有分级微纳结构的铝基SWBM样品，通过调控激光功率（0.6至1.5瓦）控制沟槽深度（80至150微米）与宽度；2. 基于Washburn-Rideal方程表征垂直表面逆重力输水动力学，结合积分球光谱测试光学吸收率；3. 搭建双数字天平与原位PPM（parts per million）计组成的实时监测平台，同步量化淡水蒸发量、盐收获量与储水池盐度变化；4. 采用扫描电子显微镜与能量色散X射线光谱（EDAX）分析收集盐的元素组成与分布；5. 构建带透明半球形冷凝罩的太阳能追踪系统，在美国罗切斯特实地验证多海域海水的处理效能。
研究结果如下：
超润湿黑色金属（SWBM）设计策略与材料制备
通过单步飞秒激光加工200微米厚铝箔获得SWBM，其表面由平行微沟槽与脊构成，叠加纳米结构。激光功率越高，沟槽越深越宽。实验表明，沟槽深度大于110微米、宽度大于50微米时，输水速率显著提升，其中SWBM-1.5初始输水速度达8厘米每秒。光学测试显示，SWBM-1.2因微纳结构最优组合实现约92%的全太阳光谱平均吸收率，峰值吸收达98%。
真实海水的太阳能热界面淡化
在1太阳光照下，SWBM-0.6与SWBM-0.9因输水不足2小时内活性区盐堵塞导致蒸发率下降超45%；而SWBM-1.2与SWBM-1.5实现盐向被动区外延生长，保持表面清洁，平均蒸发率分别稳定在1.84±0.01与1.70±0.01 kg m?2h?1。SWBM-1.2因兼具高吸光、低热损与长气液界面长度表现最优。24小时循环测试（8小时光照、16小时黑暗）中，其白天蒸发率为1.76±0.03 kg m?2h?1，对应太阳能到蒸汽转换效率约74%。
无卤水排放的海水提盐
双天平实时监测显示，收集的盐质量与蒸发水中含盐量几乎完全一致，储水池盐度7天内无上升，证明无盐回流与卤水排放。连续运行一周的平均白天蒸发率与盐收获率分别为1.76±0.04 kg m?2h?1与61.74±2.46 g m?2h?1，夜间分别为0.70±0.01 kg m?2h?1与24.66±0.49 g m?2h?1。EDAX分析表明，收集盐中钠占比约40%，另含镁、钾、钙及金、铯、溴、铀等高价值元素，可通过微毛细管表面功能化实现选择性提取。
自盐排斥与集盐机制
显微观测揭示自清洁源于咖啡环效应与盐爬移的级联作用：蒸发诱导的毛细流将高浓度盐水推向活性区边缘，使被动区盐水边界首先达到饱和结晶；随后盐晶体表面薄液膜通过毛细作用溶解并再结晶，驱动盐层持续外扩。深宽沟槽提供更强的溶解性毛细流，维持较低溶质浓度以穿透镁、钙等非多孔晶体构成的堵塞层，实现自清洁；浅窄沟槽则因过早结晶导致反向堵塞。
太阳能追踪与多海域海水测试
SWBM在不同倾角下蒸发率仅轻微下降且自清洁不受影响，支持全向太阳能追踪。户外实测中，9平方厘米器件9小时产淡水9.3克、海盐0.343克，等效日产淡水10.33升每平方米、海盐0.38千克每平方米。产水盐度远低于世界卫生组织（WHO）与美国环保署（EPA）饮用水标准。四大洋海水测试结果一致，蒸发与提盐速率无显著差异，证实技术的广谱适用性。
讨论部分指出，该技术突破了真实海水淡化的盐堵塞与排放瓶颈，除淡化外还可拓展至无机/有机溶液的溶质分离与溶剂回收，通过活性区功能化实现特定资源的选择性提取。研究结论强调，ABF-STIC是一种真正可持续、环境友好的海水淡化与矿物提取一体化方案，为实现零液体排放、资源化的海洋资源利用提供了新范式。
