2026年4月，國際知名期刊《Advanced Functional Materials》發(fā)表了云南大學(xué)萬艷芬教授團隊題為“Application-Oriented Interfacial Solar Steam Evaporation: Back-End Engineering and System Design”的綜述論文。作者采用后端工程視角，系統(tǒng)性地評估了界面太陽能蒸汽蒸發(fā)（ISSE）技術(shù)的全鏈條發(fā)展，涵蓋先進材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)工程以及針對不同應(yīng)用環(huán)境量身定制的蒸發(fā)效率提升策略。作者進一步總結(jié)了適用于跨介質(zhì)協(xié)同蒸發(fā)系統(tǒng)（CMSES）典型場景的統(tǒng)一后端解決方案框架。《Advanced Functional Materials》是材料與納米科學(xué)領(lǐng)域的頂尖國際期刊，致力于發(fā)表跨學(xué)科、具有高影響力的前沿研究，影響因子19。

第一作者：王作亮

通訊作者：楊乃亮*，萬艷芬*,楊鵬**

通訊單位：云南大學(xué) 中國科學(xué)院過程工程研究所

論文DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.7542

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界面太陽能蒸汽蒸發(fā)（ISSE）技術(shù)因其利用太陽能生產(chǎn)清潔水的巨大潛力而備受關(guān)注。盡管在光熱材料和蒸發(fā)器設(shè)計方面已取得顯著進展，但在將該技術(shù)從實驗室研究轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的過程中，仍存在一個關(guān)鍵瓶頸：先進材料開發(fā)與實際系統(tǒng)工程之間存在明顯脫節(jié)。當(dāng)前的研究工作仍主要聚焦于前端材料的“性能競賽”，而高效可靠的后端系統(tǒng)設(shè)計卻未能同步跟進。為彌合這一差距，本文采用后端工程視角，系統(tǒng)性地評估了ISSE技術(shù)的全鏈條發(fā)展，涵蓋先進材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)工程以及針對不同應(yīng)用環(huán)境量身定制的蒸發(fā)效率提升策略。我們進一步總結(jié)了適用于跨介質(zhì)協(xié)同蒸發(fā)系統(tǒng)（CMSES）典型場景的統(tǒng)一后端解決方案框架。最終，本綜述旨在闡明將理論進展轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的科學(xué)依據(jù)充分且具有工程實用性的路徑，從而推動ISSE技術(shù)從實驗室研究向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

全球淡水短缺已成為21世紀最緊迫的挑戰(zhàn)之一。據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，目前約有22億人口面臨嚴重缺水。氣候變化與人口增長正加速這一危機，預(yù)計到2050年，全球超過50%的人口將經(jīng)歷水資源短缺。干旱地區(qū)、濱海鹽堿土及受污染水體的水資源匱乏問題尤為迫切。傳統(tǒng)水處理技術(shù)（如反滲透和多級閃蒸）雖能部分緩解水壓力，但仍面臨能耗高、成本高及二次污染風(fēng)險等挑戰(zhàn)，難以滿足可持續(xù)發(fā)展要求。在此背景下，開發(fā)低碳、節(jié)能、環(huán)保的水資源再生技術(shù)，已成為應(yīng)對“水質(zhì)性缺水”與“水量性缺水”雙重挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。

界面太陽能蒸汽蒸發(fā)（ISSE）技術(shù)利用地球豐富的太陽能，實現(xiàn)零碳排放、高效率及多場景廣泛適用性，為水資源可持續(xù)發(fā)展提供了新策略。該技術(shù)通過納米結(jié)構(gòu)光熱材料將太陽能局域轉(zhuǎn)化為熱能，在氣-液界面驅(qū)動高效水蒸發(fā)，同時截留污染物，從而在海水淡化和廢水凈化等多種場景下生產(chǎn)清潔水。自2012年Neumann團隊提出光熱界面蒸發(fā)概念以來，ISSE技術(shù)發(fā)展迅速。利用CiteSpace對關(guān)鍵詞“太陽能界面蒸發(fā)”生成聚類時間線圖（圖1）顯示，自2015年起，該領(lǐng)域呈現(xiàn)顯著的跨學(xué)科增長，從最初的淡化研究擴展到廢水處理、土壤修復(fù)及大氣水收集等新興應(yīng)用，尤其是2020年以來，展現(xiàn)出“水-氣-土”協(xié)同治理的潛力。圖2系統(tǒng)梳理了基于ISSE的多介質(zhì)水提取技術(shù)發(fā)展歷程中的關(guān)鍵里程碑。這些進展標(biāo)志著在光熱材料設(shè)計、蒸發(fā)機理探索及現(xiàn)場效率優(yōu)化方面取得了顯著成就，催生了高性能材料的不斷涌現(xiàn)。然而，在這一蓬勃發(fā)展的研究格局中，技術(shù)成熟度與實際部署之間仍存在顯著差距。當(dāng)前ISSE研究主要側(cè)重于前端光熱材料與蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的開發(fā)，而對后端工藝及收集單元的工程設(shè)計關(guān)注相對較少。這種不平衡制約了實驗室規(guī)模演示向?qū)嶋H系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化，尤其是在考慮長期運行、成本及凈產(chǎn)水量時。

基于此，本文從實際工程應(yīng)用的角度，系統(tǒng)綜述了ISSE技術(shù)從材料創(chuàng)新到系統(tǒng)集成的完整研究鏈條。通過批判性地分析不同應(yīng)用場景下后端工程面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，我們建立了通用解決方案框架，并引入了一種跨介質(zhì)協(xié)同蒸發(fā)策略。本綜述為縮小太陽能驅(qū)動水生產(chǎn)技術(shù)實驗室研究與實際應(yīng)用之間的差距，提供了理論基礎(chǔ)與技術(shù)路線圖。

l 采用后端工程視角，系統(tǒng)性地評估了ISSE技術(shù)的全鏈條發(fā)展，涵蓋先進材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)工程以及針對不同應(yīng)用環(huán)境量身定制的蒸發(fā)效率提升策略。

l 提出了不同典型ISSE應(yīng)用場景的統(tǒng)一后端解決方案框架。

l 提出了跨介質(zhì)協(xié)同蒸發(fā)系統(tǒng)（CMSES）概念及系統(tǒng)模型。

圖1. CiteSpace生成的“太陽能界面蒸發(fā)”關(guān)鍵詞聚類時間線圖。

圖2. 基于ISSE的多介質(zhì)水提取技術(shù)發(fā)展時間線。

圖3. ISSE驅(qū)動的環(huán)境液態(tài)水收集機制示意圖。

圖4. 光熱效應(yīng)的不同機制及其對應(yīng)的光吸收范圍。

圖5. (a) 多功能蜂窩陶瓷板的數(shù)碼照片和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（b）CM-Ti2O3蒸發(fā)器和窄帶隙Ti2O3中電子-空穴生成與弛豫的示意圖。(c) 四種具有不同尺寸的典型TiN納米顆粒的SEM圖像及其單顆粒暗場散射光譜。

圖6. (a) 仿生三維蒸發(fā)器的設(shè)計，其靈感源自鳥喙非對稱毛細管棘輪結(jié)構(gòu)和捕蠅草口沿表面的超液態(tài)傳輸特性。(b) 三維折紙結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器的蒸發(fā)示意圖。(c) 基于所有冷蒸發(fā)表面，3D HCE從太陽光、周圍空氣和水體中獲取能量的示意圖。

圖7. (a) 具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的PVDF-SHPL太陽能驅(qū)動蒸發(fā)器的運行原理及熱局域化示意圖。(b) FJE 具有雙面結(jié)構(gòu)。FJE 高效蒸發(fā)與耐鹽機制的示意圖。(c) 新型低熱損耗太陽能水蒸發(fā)裝置的示意圖。(d) 蘑菇狀結(jié)構(gòu)中的熱行為示意圖。(e) 配備IWS太陽能蒸發(fā)器的3D示意圖。

圖8. (a) 由納米纖維水凝膠-還原氧化石墨烯膜構(gòu)成的ISSG示意圖。(b) 由聚乙烯醇和聚苯乙烯磺酸鹽組成的互穿網(wǎng)絡(luò)示意圖。聚乙烯醇網(wǎng)絡(luò)限制了水量，使熱量局限于可蒸發(fā)水附近，而聚苯乙烯磺酸鹽網(wǎng)絡(luò)通過水-聚合物相互作用激活水分子。(c) 利用PCW-1進行界面太陽能蒸汽生成的機理示意圖。利用木材和PC-1降低水當(dāng)量蒸發(fā)焓的示意圖。(d) 通過非晶態(tài)Ta2O5/C HoMS實現(xiàn)高效太陽能制蒸汽的示意圖。水蒸發(fā)過程的分子動力學(xué)（MD）模擬。

圖9. 純水和 PLH@OTS 的差示掃描量熱法（DSC）曲線。(b) JCB-海水、JCFeB-純水和JCFeB-海水的多指數(shù)T2弛豫譜。(c) CoMo LDH/水、L-CoMo LDH/水、PVA/水和PVA-Na2SO4/水的拉曼光譜。(d) 三種模型中界面水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)排列的瞬態(tài)圖像。

圖10. (a) 碳納米纖維增強碳氣凝膠的制備流程圖，以及不同放大倍數(shù)下的CNFA掃描電子顯微鏡圖像。(b) 通過HNT中的Al3+與海水中的Mg2+之間自發(fā)離子交換，在蒸發(fā)表面富集Mg2+的示意圖，該過程可使海水蒸發(fā)速度快于純水。(c) 戴森球概念及受戴森球啟發(fā)的蒸發(fā)器。(d) 用于在波浪狀油-鹵水混合物中實現(xiàn)高效穩(wěn)定太陽能淡化的JMSEs。

圖11. (a) 基于Au@Ag-Pd/PS雙面納米-微米結(jié)構(gòu)的界面太陽能蒸發(fā)器的示意圖，其中光熱轉(zhuǎn)換、熱局域化和供水過程實現(xiàn)了高效耦合。(b) C-ADM的自清潔過程依賴于晝夜循環(huán)。(c) 一種由具有強排斥力的多價陽離子交聯(lián)藻酸鹽與具有強光吸收能力和高導(dǎo)電性的聚吡咯組成的混合系統(tǒng)。(d) 聚電解質(zhì)水凝膠聚丙烯酸鈉 [P(SA)] 提供的雙離子泵送和鹽分排斥效應(yīng)示意圖。(e) 在所提出的非接觸式太陽能蒸發(fā)結(jié)構(gòu)中，吸收器不與水接觸。 (f) 受睡蓮啟發(fā)的分層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖12. (a) 示意圖展示了雙模多孔巴沙木的微觀結(jié)構(gòu)及其工作原理，該材料可作為高效、穩(wěn)定、可擴展、環(huán)保且低成本的蒸發(fā)器，用于高鹽度鹵水的脫鹽處理。(b) 示意圖展示（左）自再生太陽能蒸發(fā)器設(shè)計，以及（右）蒸發(fā)器內(nèi)的多向傳質(zhì)過程。(c) SIFS蒸發(fā)器的示意圖及其表面特性分析。(d) 用于提升全天候高鹽度脫鹽效率的水膜效應(yīng)及拱形雙面蒸發(fā)示意圖。

圖13.(a) 用于連續(xù)太陽能蒸汽生成和鹽回收的新型設(shè)計示意圖，以及太陽能蒸汽發(fā)生器在不同運行時段內(nèi)連續(xù)運行的數(shù)碼照片。(b) 蒸發(fā)器的示意圖，以及在84小時鹽水太陽能蒸發(fā)過程中鹽沉積位置的照片。(c) 仿生三維蒸發(fā)器設(shè)計靈感的示意圖（超流體傳輸特性源自鳥喙的不對稱毛細管棘輪結(jié)構(gòu)及牛蒡的唇面）以及頂部鹽結(jié)晶過程。(d) 基于三元分層結(jié)構(gòu)的太陽能驅(qū)動蒸發(fā)器（THSE）示意圖，以及在1-2.5 kW/m2不同太陽輻射強度下的有效蒸發(fā)高度（L）。

圖14. (a) 水資源壓力（來源：世界資源研究所（WRI），Aqueduct國家排名工具）。 (b) 全球年平均相對濕度的地理分布（數(shù)據(jù)來源：CRU 0.5度數(shù)據(jù)集（New等人））。(c) ISSE驅(qū)動的大氣集水機制示意圖。

圖15. (a) 實驗測試臺的示意圖。(b) 不同吸附劑的吸附性能。(c) Zr6O4(OH)4(-COO)12二級構(gòu)建單元通過富馬酸鹽相互連接，形成 MOF-801。(d) MOF-303 的晶體結(jié)構(gòu)。(e) MIL-101(Cr)的晶體結(jié)構(gòu)。(f) SMAG水凝膠。(g) LiCl@MIL-101(Cr)的晶體結(jié)構(gòu)。(h) LiCl/PMS/CNTs 超吸水海綿。 (i) SAWE 系統(tǒng)架構(gòu)及淡水制備性能。

圖16. (a) SAWH裝置的示意圖。SMPH氣凝膠集水過程以及現(xiàn)場測試中的吸水、釋水和集水過程。(b) 該裝置的實際生產(chǎn)工作示意圖。LiCl@CCP-PPy的吸濕機理及其吸濕性能。(c) 室外設(shè)備示意圖。基于ZrC的DES納米流體吸濕-蒸發(fā)過程，以及不同相對濕度下ZrC納米流體與ChCl/尿素的吸濕性。

圖17. (a) 雙級大氣水收集裝置的示意圖。水收集性能及實際安裝圖。(b) 帶熱回收循環(huán)的太陽能驅(qū)動SAWH原型機的運行原理，用于高效且快速循環(huán)地從空氣中收集水分。室內(nèi)實驗中，相對濕度低于60%時的單循環(huán)水收集能力和累計收集水量。(c) 模塊化太陽能驅(qū)動空氣制水原型機的設(shè)計。吸附過程中的質(zhì)量變化。(d) 太陽能驅(qū)動空氣制水裝置的示意圖。該裝置在現(xiàn)場測試期間產(chǎn)水量。

圖18. (a) 吸附器結(jié)構(gòu)示意圖及集水裝置示意圖。ACF-LiCl通過 ASAP 測得的吸附等溫線。(b) 用于實時輸出收集水的裝置示意圖，其中包括一臺紅外熱成像儀。上午9:30至下午16:00脫附過程中的實時水質(zhì)量輸出。(c) 集水器的結(jié)構(gòu)示意圖。裝置的集水性能。(d) 本文所述集水器裝置的示意圖。在受控環(huán)境下進行的24小時壓力測試。

圖19. (a) 自然日光下土壤集水系統(tǒng)的設(shè)計。白銀騰格里沙漠集水裝置的集水速率及照片。(b) 采用太陽能驅(qū)動的界面水蒸發(fā)系統(tǒng)進行土壤水分提取。“單太陽”輻照強度下的土壤水分蒸發(fā)效率及大型C800-ZIF8 WS裝置的照片。(c) 配備PMMA冷凝器、TCP-Li及植物的TEAD結(jié)構(gòu)示意圖。室外測試期間的累計單位面積產(chǎn)水量與產(chǎn)水速率，以及演示過程中TEAD原型的照片。(d) 嵌入沙質(zhì)水體中的人工植物示意圖。2D薄膜與3D HPG的質(zhì)量變化直方圖，顯示出顯著增加的水分蒸發(fā)量。(e) 土壤取水概念示意圖。用于土壤取水的實驗室實驗裝置組裝示意圖，以及不同加熱功率下不同沙樣約12小時后的總?cè)∷俊?/p>

圖20. (a) 基于CCD@wooden的便攜式蒸發(fā)器的示意圖及其蒸發(fā)性能。(b) 受帳篷啟發(fā)的便攜式太陽能驅(qū)動凈水裝置在野外探險中的實際應(yīng)用及其便攜性。(c) 用于高效水循環(huán)的可折疊便攜式太陽能驅(qū)動電滲析系統(tǒng)，以及生產(chǎn)不同1 kg系統(tǒng)所產(chǎn)生的環(huán)境成本比較。

圖21. (a) 全球重金屬污染的總體分布。(b) 全球鹽漬化土壤分布圖：底土層（30-100 厘米）（來源：糧農(nóng)組織。2021。《全球鹽漬化土壤圖（GSASmap）v1.0》。載于：糧農(nóng)組織。羅馬。）(c) ISSE驅(qū)動的土壤水收集機制示意圖。

圖22. (a) 模擬鹽漬化土壤修復(fù)系統(tǒng)的實驗裝置及仿生鹽分收集機制。(b) 太陽能驅(qū)動修復(fù)系統(tǒng)的示意圖。四種主要堿金屬離子的去除率，以及處理前后鹽漬化土壤中西蘭花發(fā)芽率的差異。(c) 基于非接觸式紙基柱狀太陽能脫鹽陣列的零廢水排放、無淡水消耗鹽堿地土壤修復(fù)策略示意圖。

圖23. (a) BML蒸發(fā)器的原理示意圖。水和重金屬離子的遷移與擴散機制。重金屬去除性能。(b) 展示實際樹木啟發(fā)式太陽能驅(qū)動修復(fù)系統(tǒng)的示意圖。SDER處理前后土壤孔隙水中重金屬含量。

圖24. (a) 太陽能界面蒸發(fā)裝置的示意圖、光催化降解機理圖，以及PCC-IS/M@TiO2對MB和RhB的降解效率數(shù)據(jù)圖。(b) 催化蒸發(fā)器的示意圖。處理前后溶液的照片，以及不同催化蒸發(fā)器處理模擬有機廢水效率的數(shù)據(jù)圖。(c) Fe-BTEC/GPE復(fù)合蒸發(fā)器用于水蒸發(fā)及有機污染物光芬頓降解的示意圖。不同體系中TC的降解速率及降解速率常數(shù)。Fe-BTEC上過氧化氫解離過程的示意圖（DFT計算）。(d) 說明MCW蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)賦能多功能設(shè)計機理的示意圖。M20CW3-d蒸發(fā)器在1太陽照度下MO的催化降解速率及對應(yīng)速率常數(shù)。蒸發(fā)與降解性能的比較。

圖25. (a) 示意圖展示了基于生物質(zhì)的CCAP-CCA雙面結(jié)構(gòu)用于重金屬富集和生產(chǎn)潔凈飲用水的先進工藝。(b) GDY的C-18環(huán)示意圖，以及通過GDY-HoMS實現(xiàn)的高效太陽能蒸汽生成過程。(c) 基于高粱秸稈聚吡咯表面改性的蒸發(fā)器制備工藝去除納米塑料的示意圖。超純水、受納米塑料污染的水及其凈化水的zeta電位。凈化前后受納米塑料污染的水樣透射電子顯微鏡（TEM）圖像。(d) 1倍太陽光照下ISEP去除微塑料的機理。不同微塑料濃度。過濾原海水及經(jīng)ISEP處理的海水后濾膜的顯微圖像。(e) 太陽能蒸發(fā)與微塑料去除的多級結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖。蒸發(fā)前后收集的聚乙烯（PE）的光學(xué)圖像。(f) RGO/TiO2反應(yīng)器實現(xiàn)微塑料光催化升級利用及光熱蒸發(fā)驅(qū)動產(chǎn)物分離的示意圖。原位傅里葉變換紅外（FTIR）成像用于確認微塑料樣品的成分。微塑料轉(zhuǎn)化與產(chǎn)物收集裝置的示意圖及光學(xué)圖像。碳酸鋇固體產(chǎn)物的制備。插圖為收集到的碳酸鋇產(chǎn)物（純度>99%）。

圖26. (a) 離網(wǎng)及應(yīng)急ISSE系統(tǒng)后端解決方案框架圖。 (b) 鹽堿地修復(fù)框架中ISSE系統(tǒng)的后端解決方案框架圖。 (c) 特殊廢水蒸發(fā)-催化協(xié)同凈化后端解決方案框架圖。

圖27. 便攜式個人凈水器（a）和撬裝式跨介質(zhì)太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)（b）的示意圖。

界面太陽能蒸汽蒸發(fā)（ISSE）技術(shù)在島嶼供水、荒漠化治理及應(yīng)急救災(zāi)等場景中展現(xiàn)出強適應(yīng)性。本綜述從應(yīng)用視角，系統(tǒng)梳理了ISSE技術(shù)從材料創(chuàng)新到系統(tǒng)集成的全鏈條發(fā)展，涵蓋材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)工程與效率優(yōu)化策略。通過分析冷凝效率低、鹽垢積累和系統(tǒng)穩(wěn)定性差等關(guān)鍵瓶頸，針對離網(wǎng)應(yīng)急供水、鹽堿地修復(fù)和特種廢水處理三類典型應(yīng)用，建立了通用解決方案框架，并通過對比分析、案例研究和性能評估驗證了其可行性。最后，創(chuàng)新提出了“跨介質(zhì)協(xié)同蒸發(fā)系統(tǒng)（CMSES）”概念，為ISSE技術(shù)從實驗室走向工程應(yīng)用提供了能量與物質(zhì)流的系統(tǒng)級解決方案，并構(gòu)建了高效淡水生產(chǎn)的可量化藍圖。

未來研究需注意：實驗室小樣品的高蒸發(fā)速率在放大時面臨傳質(zhì)傳熱限制。大面積器件中心區(qū)域蒸汽擴散受阻會形成高濕層，降低蒸發(fā)驅(qū)動力；封閉系統(tǒng)中蒸汽冷凝釋放潛熱會升高冷凝器溫度，增加熱損失。因此，研究應(yīng)超越材料設(shè)計，轉(zhuǎn)向熱質(zhì)傳輸?shù)南到y(tǒng)級管理，如優(yōu)化通道結(jié)構(gòu)、利用環(huán)境風(fēng)、實施多級潛熱回收，推動ISSE技術(shù)從原型走向規(guī)模化淡水生產(chǎn)。

Z.Wang, N.Yang, Y.Wan, and P.Yang, “Application-Oriented Interfacial Solar Steam Evaporation: Back-End Engineering and System Design.” Advanced Functional Materials (2026): e75423.https://doi.org/10.1002/adfm.75423

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撰稿：王作亮

編輯：環(huán)境與能源功能材料

近幾年，云南大學(xué)萬艷芬教授團隊一直致力于界面太陽能凈水與清潔能源聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域的研究。為突破傳統(tǒng)海水淡化效率瓶頸，本團隊系統(tǒng)梳理了界面太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)中質(zhì)量與能量傳遞全鏈條研究，并構(gòu)建了多尺度傳熱傳質(zhì)模型。此外，本團隊還采用多維結(jié)構(gòu)設(shè)計——包括具備卓越熱管理性能的3D杯狀結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)熱能回收的空間圖案化結(jié)構(gòu)，以及仿生多級蒸發(fā)系統(tǒng)——從而實現(xiàn)高效水分蒸發(fā)、潛熱回收與同步發(fā)電。以下是本團隊近年來在該領(lǐng)域的取得的系列成果：

l光熱海水淡化中的能質(zhì)量傳遞綜述：

https://doi.org/10.1002/adma.202510796

l光-空間-熱一體化三維太陽能蒸發(fā)器：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156826

l降低蒸發(fā)焓綜述：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109434

l空間圖案化結(jié)構(gòu)回收熱量損失：

https://doi.org/10.1021/acsami.3c19577

l多級蒸發(fā)聯(lián)產(chǎn)電力系：

https://doi.org/10.1002/smll.202302943

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143047

l太陽能蒸汽發(fā)電耦合可穿戴傳感：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105700

l太陽能海水淡化協(xié)同熱電發(fā)電：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.05.023

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104298

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