随着全球人口增长和环境污染加剧,能源短缺和清洁水匮乏成为阻碍人类社会经济可持续发展的重要威胁。新型高效太阳能光热水蒸发技术,利用太阳能,通过光热转换水蒸发,同时产生清洁水和能源,为人类缺水和能源危机提供了很有前景的解决方案。与传统的海水淡化技术相比,太阳能驱动界面蒸发（SDIE）被认为是高效的技术,因其在蒸发表面可实现更高的光热转换和蒸发效率。然而,将所有功能集成到单个SDIE系统中仍然是其大规模应用的主要挑战,例如盐积累、蒸发速率和太阳能蒸发器的稳定性、热管理、太阳光的间歇性、挥发性有机化合物和产水效率等。本论文以Mn O2纳米线（NWs）、碳点（CDs）、聚吡咯（PPy）和磁铁矿（Fe3O4）为基础,设计合成出一系列多功能纳米复合材料用作太阳能光热转换材料,构筑了多功能太阳能蒸发器件,围绕高效光热转换、优化热管理、合适的水输运、高通量集水和优良的耐盐性等关键科学和技术问题,通过系统实验和计算模拟,实现稳定高效的太阳能光热转换和清洁水制备,并探索其在海水淡化、废水处理、抗菌消毒、光热发电以及光热/压电能量转换等领域的应用前景。主要研究内容和创新性成果如下:1.化学平流驱动的耐盐太阳能蒸汽发生器（SSG）。通过碳点改性二氧化锰纳米线（Mn O2 NWs）与聚吡咯（PPy）原位聚合（Mn CDs@PPy）,在聚氨酯（PU）基材上构筑SSG。蒸发器结构通过无纺布进一步隔热,研究发现,脱盐实验（2 g/100分钟）中热盐水的流动驱动力来源于盐度梯度,超柔韧性和自清洁的Mn CDs@PPy SSG可实现1.68 kg m-2 h-1的蒸发速率,并在盐水（10 wt%）和含有重金属离子（30 wt%）废水的光热转换效率（～96.4%,太阳能到蒸汽）也得到有效提升。本工作对SSG水道内盐分积累进行了详细理论计算和模拟,并提出了解决这一难题的方法。小型应用实践探索发现,在包括挥发性有机化合物、微生物和油乳液的沙湖水中获得清洁水的产水率可达13.60 kg m-2 day-1。2.Mn CDs@PPy/壳聚糖（SPM-CH）水凝胶太阳能蒸汽发生器。利用Mn O2 NWs和PPy复合材料与壳聚糖的协同作用,构建了一种柔性的半导体水凝胶,用于海水淡化和废水处理。原位聚合的Mn O2纳米线/SPM-CH水凝胶可增强太阳能吸收（94%）,其交联垂直排列的大孔结构（～0.5μm）用于耐盐水通道,压缩应变达42%,优异的水合特性有利于中间水簇分子的形成,促进了产水率的提高(1.78 kg m-2 h-1)。SPM-CH水凝胶在蒸发表面（40.8℃）可实现持续地光热转换,并通过COMSOL Multiphysics仿真软件对热传递进行优化模拟,以达到有效热管理。自然阳光下的室外实验表明,可从沙湖废水中以17.02kg m-2/天的速率产生清洁水。3.基于MnO2@PPy的产水/发电双功能器件。设计合成了MnO2@PPy纳米复合材料（NCs）,用于太阳能蒸发和光热产电。这种蒸发结构由光热层/MnO2@PPy NCs、隔热层/聚对苯二甲酸乙二醇酯和超亲水性供水通道/聚氨酯组成。流体动力学（CFD）模拟了盐度梯度电位的实时变化,证实了该器件能同步实现盐离子交换（10 g Na Cl/180分钟）和光热蒸发。在自然光照下,海水（3.5 wt%）可以连续蒸发,实现了12.31 kg m-2/天的蒸发速率。将器件与温差发电片相结合,在1 k W m-2太阳辐照下实现了增强的功率输出(～12.3 W m-2)和开路电流（～61.3 m A）。这项工作将太阳能光热转换过程中的废热回收转化为有用的资源,同时实现了海水的零污染排放脱盐。4.聚吡咯-泡沫镍（IPNF）太阳能蒸汽发生器。聚吡咯（PPy）作为光热材料,采用原位聚合在泡沫镍,成功制备了IPNF双层太阳能蒸发结构。将其与聚氨酯泡沫结合,用于加强的太阳能光热蒸发和海水淡化。IPNF表面在液体-空气界面处实现了增强的局部加热（49.5℃）。在1 k W m-2太阳辐射下,该器件获得了有效的蒸发速率(1.74 kg m-2 h-1)和太阳能蒸汽转换效率（90%）。这项工作研究了在太阳能光热蒸发中水分子团簇在PPy网络中的不同行为、IPNF器件的稳定性及其抗盐性,通过COMSOL传热模拟证实了蒸发表面处局部热量的增强。5.二氧化锰纳米片/聚偏二氟乙烯（MnO2/PVDF）产水/发电双功能器件。Mn O2/PVDF太阳能双功能器件被设计作为同时具有产水、发电和可穿戴触觉传感等功能的器件。与纯PVDF膜相比,分级Mn O2纳米片改变了PVDF的介电和铁电性能。在频率为2 Hz的10 N重复机械力下,Mn O2/PVDF复合膜成功实现了20 V的开路电压和0.10μA的短路电流。Mn O2/PVDF复合膜展示了收集人类运动的生物力学能量的能力,例如通过手指关节敲击、步行和跑步收集能量。更重要的是,将聚吡咯浸渍在Mn O2/PVDF复合膜上制造了高效的太阳能蒸发器件Mn PVDF@PPy。在一个太阳照射下,该器件实现了1.85kg m-2 h-1的蒸发速率。同时,蒸发过程中的余热也可以通过与Mn PVDF@PPy膜接触的温差发电片进行收集。在一个太阳下,该发电片实现了135 m V的开路电压和33 m A的短路电流。因此,这种压电-光-热混合系统展现了在各种天气条件下用作发电,并持续提供安全的饮用水的功能。6.四氧化三铁@聚吡咯基（Fe3O4@PPy）产水/发电双功能器件。Fe3O4@PPy被成功负载在纤维素膜上,实现了农业废水浆液中的挥发性氨(NH4+)或阳离子亚甲蓝（MB）染料的有效去除。通过优化存在于Fe3O4@PPy表面的带正电荷的R-NH+基团,实现了NH4+和阳离子MB染料的协同除去。该器件具有出色的太阳能光吸收性能（95%）、柔韧性（75%）、以及对NH4+化合物的Donnan排除性能。此外,将该器件与温差发电片结合,在2 k W m-2的太阳辐照下,实现了有效的电能输出(～45.4 Wm-2,～101 m A)。太阳能到电能的转换效率为γ=2.27%,展现了显著的太阳能余热回收潜力。这项工作提供了解清洁能源多功能整合利用和农业废水修复的有效途径。