研究背景

氨氮废水(ANW)的处理因生态问题而受到广泛关注，甚至生物也受到过量排放ANW的日益威胁。传统的ANW处理方法经常遇到复杂的工艺、高昂的成本和二次污染等挑战。在利用太阳能诱导蒸发器进行废水处理方面取得了相当大的进展。然而，从基础研究过渡到实际应用仍然存在明显的障碍，包括蒸发率不足和对生物污染的抵抗力不足。基于此，我们提出了一种新型蒸发器，其包括用作抽水和储水层的生物酶处理的木质气凝胶、用作光热蒸发层且具有成本效益和抗微生物沉积的聚集诱导发光(AIE)分子双亲性光热非织造材料。当在1.0 sun下处理含有30 wt% NH₄Cl的模拟ANW时，其显示出12.83 kg m⁻2 h⁻1的高蒸发速率。掺杂AIE的蒸发器对霉菌和细菌具有显著的光动力抗菌活性，确保在长时间的废水处理过程中对生物污染具有出色的抵抗力。1.0 sun下由自然对流增强，蒸发器的蒸发速率超过20 kg m⁻2 h⁻1，令人印象深刻。这一进展为有效去除氨氮废水提供了一种有前景和可行的方法。

Integration of Bio-Enzyme-Treated Super-Wood and AIE-Based Nonwoven Fabric for Efficient Evaporating the Wastewater with High Concentration of Ammonia Nitrogen

Qian Ding, Bingqi Jin, Yinxia Zheng, Huiru Zhao, Jun Wang, Haoxuan Li*, Dong Wang* & Ben Zhong Tang*

Nano-Micro Letters (2025)17: 176

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01685-5

本文亮点

1. 生物酶处理的超级木材和基于聚集诱导发光(AIE)的非织造布被集成到太阳能蒸发器中。

2. 当在1.0 sun下处理含有30 wt%NH₄Cl的模拟废水时，蒸发器显示出12.83 kg m⁻2 h⁻1的高蒸发率。

3. AIE掺杂蒸发器对霉菌和细菌具有显著的光动力抗菌活性。

内容简介

东华大学李昊轩&深圳大学王东&香港中文大学(深圳)唐本忠院士团队提出了一种受天然植物蒸腾作用启发的新型蒸发器，该蒸发器集成了生物酶处理的木材气凝胶(WA)作为抽水和储水层，疏水/亲水纤维基非织造布(NF)作为蒸发层，低成本多壁碳纳米管(MWCNT)光热转换剂和AIE分子作为抗生物污损层。这种创新设计将这些成分协同结合，实现了非常高的蒸发率和有效的ROS生成，同时促进了有效的抗生物污损效果(图1)。由于其充足的供水、低蒸发焓、互连的孔结构和优异的光动力性能，我们的蒸发器对含有30wt%氨氮废水表现出大于99.9%的优异净化效率。此外，多功能蒸发器显示出优异的长期稳定性和稳健的室外蒸发性能。在具有空气对流的辅助下蒸发器获得了令人印象深刻的超高蒸发速率，为氨氮废水处理提供了一种可行且具有成本效益的解决方案。此外，该文还探索了一种在温和条件下通过生物酶处理制备脱木素巴沙木的环保方法，为传统高温碱处理工艺提供了一种潜在的替代方案。

图文导读

I 蒸发器的制备

图1a展示了NF-WA蒸发器的两个关键制造步骤：(1)利用针刺和涂层技术制备具有优异光热转换和光动力能力的NF；(2)探索木材软化酶来处理巴杉木，从而得到孔径可控的WA。然后将两个组合形成NF-WA蒸发器。在这里，传统的纺织制造技术用于NF制造，便于扩大规模和质量控制(图1b)。此外，纤维基NF的固有优势，如较大的比表面积和相互连接的孔结构，使蒸发器具有高效的水传输、蒸汽逸出和低导热特性。为进一步提高蒸发性能，通过在梳理过程中控制疏水性(PP/PE-ES双组分纤维)和亲水性(粘胶纤维)纤维的比例，构建了疏水/亲水混合蒸发界面。热风处理使双组分纤维的聚乙烯相熔融，而熔点较高的聚丙烯和粘胶纤维则保持了其原始形态，从而减少了纤维滑移，强化机械性能(图1c)。

图1. a. NF-WA集成的制备流程图。b. 具有光热效应的AIE掺杂非织造布照片。c. 辊轧成型后掺杂AIE的光热转换非织造布的光学和SEM图像。d. 具有/不具有热粘合的非织造织物的孔径分布。e. 巴沙木和木材气凝胶的照片，以及通过SEM从不同方向和放大倍数观察到的这两种材料的微观结构，与相应的水接触角图一起呈现。

II 水蒸发焓和水蒸发行为模拟

图2展示了材料的物化性质表征和水蒸发行为模拟。如图2b，在NF-WA中观察到的峰位于3100至3500和2800至3000 cm-1，对应于OH基团拉伸和C-H拉伸，表现出显著的增加。这种增强表明NF-WA的亲水性有所改善。配备积分球的紫外-可见-近红外光谱仪用于评估光吸收。NF-WA在干燥和湿润状态下都表现出优异的太阳能吸收能力，在250至2500 nm的太阳光谱范围内表现出约94.2%的宽带吸收率(图2c)。此外，NF的亲水性和WA的互连孔结构使NF-WA起到高通量“水塔”的作用，能够吸收相当于其重量32倍的水(图2d)。

此外NF和WA都表现出较低的水蒸发焓值，这为NF-WA结构中水蒸发相关的能垒降低提供了强有力的证据(图3e，f)。为进一步研究NF-WA系统中蒸发焓降低背后的机制，进行了分子动力学模拟，以分析在有和没有NF的情况下水分子的蒸发。在313.15 K和101 kPa下蒸发5 ps后，720个水分子从NF表面逸出，而只有530个水分子在本体水中蒸发(图3g，h)，表明在分子水平上引入两亲性NF会导致NF-WA系统中水分子的蒸发增加。此外，计算了本体水系统和NF系统中的氢键(氢键)数量(图3i)。结果表明，NF体系中的氢键数量低于本体水体系，表明NF削弱了氢键的交联，从而降低了蒸发焓，提高了整体蒸发性能。

图2. a. NF-WA的照片。b. FTIR和c NF-WA各组分的吸收光谱。d. NF-WA的含水量。e. 纯水和NF中的水以及WA的DSC测量。f. Balsa木材(BW)、WA和NF中纯水和水的蒸发焓估算。g, h. 蒸发过程的分子动力学模拟：无NF系统时水分子的侧视图和有NF系统时。i. H₂O-H₂O和NF-H₂O体系的氢键数。

III 氨氮废水处理性能和耐盐沉积性能

如图3a所示，为研究蒸发器的光热水蒸发性能，将蒸发器插入聚乙烯泡沫中，并漂浮在装有30 wt% NH₄Cl模拟废水的烧杯上。太阳光照射角度(θ=90°和60°)和蒸发器高度(h=0，4、8和12cm)显著影响了蒸发速率，进而影响了废水处理的通量。当阳光照射角度从90°调整到60°时，蒸发器的表面和侧面温度在1小时内分别升高到39.8°C和41.1°C(图3b)。

为评估ANW界面蒸发过程中挥发性氨的生态影响，比较了氨氮废水和蒸发收集的净化水。结果表明，淡水中NH₄⁺的浓度明显低于废水中的浓度(图3d)，表明在界面蒸发过程中释放的有害挥发性氨可忽略不计。如图3e所示，经30小时的辐照后，NF-WA蒸发器仍保持约5.1 kg m⁻2 h⁻1的蒸发速率，表现出稳定高效的高通量净化性能，且蒸发器表面没有观察到盐晶体，表明其具有优异的抗盐积聚性能。

图3. a. 实验室条件下NF-WA蒸发器的示意图以及不同太阳照射角度和蒸发器高度下的工作原理。b. 在1.0太阳照射下，NF-WA在不同太阳角度下的表面温度变化。c. 在1.0太阳照射下，使用纯水和NF-WA的水的质量变化。d. 模拟氨氮废水和蒸汽冷凝后收集的净化水中NH₄⁺离子的浓度。e. NF-WA在30 wt% NH₄Cl溶液中在1.0太阳照射下30小时的持续时间测试。f. 时间流逝的快照显示了在1.0太阳照射下NF-WA表面的盐排斥，其中在顶面放置了足够的NH₄Cl盐以评估耐盐性。

IV 抗微生物沉积性能

除了防盐积聚外，防生物污染措施对于确保太阳能驱动蒸发系统的长期稳定性至关重要。由于废水中存在大量微生物，这些微生物会附着在蒸发器上，在长时间暴露后形成生物膜，最终导致通道堵塞。基于此，结合具有AIE特性的光敏剂在减轻蒸发器上的生物沉积方面发挥着至关重要的作用。TTCPy-3是一种典型的供体-受体(D-A)结构，具有很强的分子内电荷转移(ICT)特性，被用来赋予NF-WA蒸发器产生活性氧(ROS)的能力，以抑制微生物增殖(图4a)。TTCPy-3在二甲基亚砜(DMSO)中的最大吸收位于534 nm，固态峰的最大发射位于746 nm(图4b)。羟基苯基荧光素(HPF)被用作检测TTCPy-3的·OH生成的指示剂，显示发射强度显著增加了27倍，表明I型ROS生成效率很高(图5c)。此外，9,10-蒽二基-双(亚甲基)二马隆酸(ABDA)被用作单线态氧(1O2)的指示剂。相比之下，在光照7分钟后，TTCPy-3中二氢罗丹明123(DHR 123)的强度增加了346倍以上，证明了超氧阴离子自由基的产生效率非常高。

此外，还评估了TTCPy-3对ROS的稳定性。在光照24小时后或添加H₂O2后，TTCPy-3的吸收光谱没有明显变化(图4d)。然而，在相同的时间内，光照射和H₂O2暴露后，市售光敏剂吲哚菁绿(ICG)的吸收峰分别降低了约63.9%和62.8%。这突显了TTCPy-3相对于ICG的优越稳定性。如图4e所示，大肠杆菌(E.coli)、金黄色葡萄球菌(S.aureus)和TTCPy-3悬浮液的Zeta电位分别为-19.13、-7.31和17.97 mV。结果表明，TTCPy-3悬浮液与两种细菌都有静电相互作用，通过表面吸附促进细菌根除，随后是光动力抗生物污损机制。

图4. a. 设计的TTCPy-3的分子结构。b. TTCPy-3在DMSO溶液和固态中的归一化吸收光谱和PL光谱。c. 在TTCPy-3(1μM)存在下，白光照射(30 mW cm⁻2)不同时间下用于·OH检测的HPF的分解速率。d. TTCPy-3在DMSO溶液中的吸收光谱，有/没有光照24小时，有/不添加30%H₂O2溶液。e. 大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和AIE掺杂NF-WA的Zeta电位。f. 用不同实验材料处理的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的菌落计数。g. 琼脂平板在黑暗和光照下显示30分钟的细菌灭活性能。(i，ii)金黄色葡萄球菌和(iii，iv)大肠杆菌在黑暗或1.0太阳照射下在NF-WA上培养的FE-SEM图像。比例尺，2μm。

V 户外性能测定

光热界面蒸发技术的广泛应用面临着阻碍其发展的重大挑战。如图5所示，在一项户外性能测试过程中，通过记录上午10:00拍摄的红外热成像照片，NF-WA蒸发器的表面温度升高到31.9°C，表明NF-WA具有优异的光热转换性能。太阳能计、风速计、热电偶和湿度计，用于监测环境参数，如太阳通量、风速、环境温度和相对湿度(RH)。图5c展示了自然太阳通量的变化。蒸发阵列的最大蒸发率为21.1 kg m⁻2 h⁻1。这种高蒸发效率归因于太阳的位置和照射角度，以及峰值环境温度和下午经历的最低相对湿度。在自然阳光照射8小时后，模拟废水的体积从7.1升减少到6.6升，总蒸发量为0.5升。值得注意的是，即使在长时间的黑暗中，蒸发器的蒸发率也保持在3.6 kg m⁻2 h⁻1，这表明它们在废水处理中的实际应用是具有可行性的。

图5. a. 在模拟废水系统上利用NF-WA阵列进行室外蒸发实验的示意图。b. 漂浮在废水槽原型上的蒸发器阵列的照片及其在自然光照下的红外热成像图像。c. 实际户外测试过程中对NF-WA的风速、太阳强度、环境温度(Tamb)、相对湿度(RH%)、废水质量变化和蒸发率(E.R.)进行了测量。

VI 总结

文章展示了一种受天然植物蒸腾作用启发的创新太阳能蒸发器，旨在实现高效的废水净化和抗生物污染性能。蒸发器通过优化木材气凝胶的孔结构，有效地控制毛细作用，并作为高效的输水通道。在1.0 sun下成功实现了12.83 kg m⁻2 h⁻1的高蒸发速率。此外，将AIE分子掺入蒸发器中使其对霉菌和细菌具有卓越的光动力抗菌活性。这一进步确保了其在长期废水处理过程中具有优异的抗生物污染性能。值得注意的是，在1.0 sun和空气对流的辅助下，取得了超过20.0 kg m⁻2 h⁻1的更高蒸发率，从而为去除氨氮废水提供了一种可行的策略。

作者简介

李昊轩

本文通讯作者

东华大学 副教授

▍主要研究领域

功能纤维集合体的构筑、结构调控及应用研究。

▍个人简介

李昊轩，东华大学材料科学与工程学院先进纤维材料全国重点实验室副教授，本科、博士均毕业于东华大学。先后在佐治亚理工学院、深圳大学和香港科技大学任访问学者和博士后研究员。主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金面上等，以第一作者/通讯作者在Adv. Mater.、Nano-Micro Lett.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表SCI论文20余篇，入选深圳市海外高层次人才。

▍Email：hxli@dhu.edu.cn

王东

本文通讯作者

深圳大学 教授

▍主要研究领域

有机光学材料的开发、机理研究，及其在传感、生物成像和疾病诊疗等方面的应用。

▍个人简介

王东，深圳大学教授，获得国家优秀青年、广东省杰出青年等基金项目。现任深圳大学材料学院副院长，深圳大学AIE研究中心主任(执行)，Wiley旗下Luminescence期刊主编。主要从事有机光学材料的开发、机理研究，及其在传感、生物成像和疾病诊疗等方面的应用。以第一/通讯作者在Nat. Nanotechnol.、Nat. Protoc.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊上发表论文多篇(25篇入选“ESI高被引论文”)，论文共被引用16000余次，H指数为64。

▍Email：wangd@szu.edu.cn

唐本忠

本文通讯作者

香港中文大学(深圳) 院士

▍主要研究领域

高分子化学和先进功能材料研究。

▍个人简介

唐本忠，香港中文大学(深圳)校长学勤讲座教授、理工学院院长，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、亚太材料科学院院士、国际生物材料科学与工程学会联合会会士、英国皇家化学会会士、中国化学会会士。主要从事高分子化学和先进功能材料研究，是“聚集诱导发光(AIE)”概念的提出者和AIE研究的引领者。现任德国Wiley出版社发行的Aggregate《聚集体》杂志主编等职务，曾获国家自然科学一等奖(2017)、何梁何利科学与技术进步奖(2017)、Nano Today国际科学奖(2021)、生物材料全球影响力奖(2023)等多个奖项。

▍Email：tangbenz@cuhk.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

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