由于人口持续增长、城市化进程加快以及严重的水污染问题，全球淡水短缺和能源危机正在以惊人的速度加剧[1]。将丰富的非饮用水海水转化为饮用水已成为解决日益增长的淡水需求的关键策略[2]。因此，海水淡化技术已成为确保清洁水源可持续供应的重要手段[3],[4]。虽然反渗透（RO）和热蒸馏等传统海水淡化技术已取得商业成功，但它们对化石燃料的依赖导致了大量的能源消耗和环境影响[5],[6],[7]。因此，开发高效、经济且可持续的海水淡化技术成为研究重点[8]。太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）作为一种有前景的替代方案，利用光热材料将阳光转化为热能以实现局部水蒸发[8]。SDIE系统的性能取决于多个相互关联的因素：宽频光吸收、高效的水供应、最小的热量损失以及强大的盐分去除能力[9],[10],[11],[12]。然而，传统的二维（2D）蒸发器通常存在光热效率低、盐分积累以及无法有效处理抗生素等共存化学污染物的问题，这严重限制了其实际应用[13]。
为克服这些限制，研究领域转向了三维（3D）结构。3D设计可以通过多次反射增强光捕获并改善热管理[14],[15]。更重要的是，合理设计的三维结构可以有效调节界面蒸发过程中的水和盐分传输，从而减少盐分积累并提高长期运行稳定性[16]。例如，宋等人[17]利用3D打印技术开发了一种火山形状的蒸发器，通过合理的三维结构设计显著提高了水传输能力和抗盐性，实现了连续的水供应和蒸发界面的盐分分布调控。在1太阳光照下，该蒸发器的蒸发速率达到了4.02 kg m?2 h?1。在另一项研究中，宋等人[18]构建了一种双层3D液膜蒸发器，其中一层为限流水层，另一层为自由流动的液膜，实现了快速的盐分传输，从而实现了有效的原位盐分去除。然而，这类系统通常需要复杂的制造工艺、外部控制装置或专用材料，这大大限制了其可扩展性和实际应用性。自然界提供了更简单、功能内在优化的结构蓝图[19],[20]。香蕉树茎具有明显的轴向卷曲和层间间隙，这种结构优化了抗重力下的高效流体和养分传输。受此启发，我们设计了一种仿生3D蒸发器。卷式棉纱复制了香蕉树茎的卷曲形态和层间间隙，其内在的纤维网络提供了出色的毛细作用。这种3D形式增强了光捕获能力，并在层间间隙中形成了自然温度梯度，从而实现了连续的水分补充和盐离子的浓度梯度驱动反向扩散，无需外部能量输入即可实现被动和自调节的盐分去除。
该系统的核心是ZIF-67衍生的Co?O?/C复合材料。ZIF-67的热解产物为纳米晶态Co?O?，被限制在导电多孔碳基质中[21],[22]。这种纳米限域效应至关重要：它防止了活性Co?O?的聚集，暴露了大量的催化位点，并促进了快速的电子/热传递[23],[24],[25],[26]。碳基质增强了宽频光吸收并稳定了钴物种，减少了金属的泄漏[27],[28]。当与过氧化单硫酸盐（PMS）结合使用时，这种复合材料成为高效的异相催化剂，可激活PMS生成一系列活性氧物种（如SO?•?、•OH、1O?），用于降解难降解的有机污染物（如诺氟沙星（NOR）[29],[30],[31]。将这种先进氧化能力集成到太阳能蒸发器中，解决了传统SDIE的一个关键问题：单纯的水相分离无法去除非挥发性污染物，这些污染物可能会在蒸馏过程中积累甚至挥发[32],[33]。PMS的加入使蒸发器从被动分离器转变为活性净化系统，能够在生产淡水的同时原位降解有机污染物[34],[35],[36]。这种双重功能对于处理含有药物和工业化学物质的真实海水至关重要[37],[38]。
最近在太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）领域取得了显著进展，提高了蒸发速率、盐分耐受性和结构设计[39]。例如，三维光热结构和先进的盐分管理策略使得在1太阳光照下的蒸发性能大幅提升[40],[41]。这些研究主要集中在改进光热材料、制造复杂的3D几何结构或引入专门的盐分去除机制上。相比之下，本研究提出了几项独特的创新。首先，受香蕉树茎启发的3D蒸发器通过其仿生形态实现了水和盐分的有效传输，无需复杂的制造过程或外部控制，有利于实现可扩展且抗盐的设计。其次，未受光照的冷蒸发表面的引入实现了蒸汽生成和盐分反向扩散的空间解耦，即使在高盐度盐水（20 wt% NaCl）中也能保持稳定性能。最后，该系统还在SDIE平台上集成了过氧化单硫酸盐（PMS）激活功能，实现了在淡水生产过程中原位降解抗生素污染物。这种多功能性克服了传统SDIE系统的关键缺陷，后者通常只能实现水相分离而无法去除非挥发性有机污染物。这些特点使我们的方法区别于现有的SDIE技术，展现了其在同时实现海水淡化和氧化净化的集成高性能解决方案方面的潜力。
在这项工作中，我们提出了一种仿生多功能3D蒸发器，解决了太阳能驱动界面蒸发过程中高蒸发效率、抗盐性和有机污染物去除的关键问题。脱脂后的棉纱带具有较大的比表面积和强大的吸水能力，能够有效负载不同尺寸的材料。其内部的连通通道促进了从溶液到蒸发界面的连续水传输。此外，卷式棉纱中的层间间隙通过多次内部反射增强了光捕获，从而提高了宽频太阳能吸收。这些间隙还有助于热能的局部化传递，并维持了毛细驱动的水供应，共同在蒸发界面和溶液之间形成了稳定的盐浓度梯度。这一梯度驱动了盐离子的反向扩散，有效防止了表面盐分积累，赋予了蒸发器良好的抗盐性能。所使用的ZIF-67衍生的Co?O?/C复合材料表现出优异的光热转换效率，能够快速将太阳能转化为热能，加速水蒸发。在1太阳光照下，该蒸发器的蒸发速率为4.07 kg m?2 h?1，能量效率高达94.01%。该系统在20 wt% NaCl盐水中也表现出出色的盐分去除性能，蒸发速率稳定在3.20 kg m?2 h?1，且不会发生盐分积累。此外，Co?O?/C复合材料作为高效的过氧化单硫酸盐（PMS）激活剂，在120分钟内实现了诺氟沙星（NOR）的90%去除率，钴的泄漏量极少。这项研究为构建高性能和抗盐的界面蒸发系统提供了关键见解，并为未来的发展提供了新的思路。我们强调，仿生三维结构（实现结构调控的盐传输和去除）与纳米限域Co?O?/C（兼具光热材料和PMS催化剂的双重功能）之间的协同作用，使得该系统能够实现高效的海水淡化和抗生素的同时降解，为可持续水处理提供了有前景的集成解决方案。
