重慶大學(xué)李猛/成都理工大學(xué)王佳程 Device||基于熱管原理的垂直式光熱界面蒸發(fā)器

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研究背景

Research Background

在全球淡水資源日益緊張的背景下，太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)脫鹽（SID）技術(shù)因其低碳、高效的能量利用特性成為重要的清潔水解決方案。近年來，重慶大學(xué)李猛教授團(tuán)隊圍繞微納仿生固液界面的能質(zhì)轉(zhuǎn)換與傳輸問題，開展了系統(tǒng)性的研究探索。團(tuán)隊從自然界動植物中汲取靈感，通過精細(xì)化調(diào)控微納結(jié)構(gòu)、多物理場協(xié)同以及系統(tǒng)構(gòu)型創(chuàng)新，致力于解決界面光熱蒸發(fā)中能量利用率低、鹽分結(jié)晶以及蒸發(fā)冷凝相互干擾等關(guān)鍵瓶頸。前期工作中，團(tuán)隊開展了界面光熱轉(zhuǎn)換材料的多尺度仿生設(shè)計與內(nèi)部傳質(zhì)機(jī)制研究。針對薄膜材料厚度受限導(dǎo)致的光吸收不足問題，引入周期性脊陣列構(gòu)建復(fù)合膜，利用光限域效應(yīng)削弱表面反射，在超薄結(jié)構(gòu)下顯著提升了光吸收與光熱轉(zhuǎn)換效率（Nano Energy,2021,89,106443）。為進(jìn)一步優(yōu)化材料熱管理，課題組選用生物質(zhì)廢料開發(fā)出具多級自相似特征的分形碳骨架，利用宏觀深孔強(qiáng)化光熱聚集，并輔以納米孔洞抑制輻射熱損，實現(xiàn)了跨尺度結(jié)構(gòu)上的光熱協(xié)同（Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2007648）。此外，團(tuán)隊以絲瓜絡(luò)為原型創(chuàng)制了三維維管束蒸發(fā)器，利用微納維度的溫度梯度激發(fā)馬蘭戈尼對流加速水輸運(yùn)，并借助受限空間內(nèi)的羥基活化水分子，實現(xiàn)了從宏觀孔道結(jié)構(gòu)到分子尺度傳質(zhì)的協(xié)同調(diào)控（Nano Energy, 2023, 114, 108631）。

在微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步揭示了多物理場耦合對界面脫鹽性能的提升機(jī)制。針對傳統(tǒng)反式蒸發(fā)與電容去離子技術(shù)難以兼顧高產(chǎn)水量與抗結(jié)鹽性能的問題，團(tuán)隊提出了熱場與電場多物理場耦合策略，開發(fā)了多級高通量光熱-電耦合淡化裝置（HPED）。研究表明，電場的引入可有效調(diào)控水分子氫鍵結(jié)構(gòu)，將蒸發(fā)焓從2453.68 kJ/kg降低至 1916.94 kJ/kg，并有效抑制了蒸發(fā)界面的鹽分結(jié)晶。同時，熱場加快了電解質(zhì)離子的遷移速率，進(jìn)一步提升了脫鹽效率。測試結(jié)果表明，五級串聯(lián)的 HPED 原型在1個標(biāo)準(zhǔn)太陽光下產(chǎn)水量可達(dá)3.25 kg m?2 h?1，能耗較傳統(tǒng)裝置降低了33.84%（Desalination, 2026, 624, 119878）。

針對光熱淡化裝置走向?qū)嶋H應(yīng)用時的傳熱傳質(zhì)受限問題，團(tuán)隊構(gòu)建了新型垂直式空間解耦光熱淡化系統(tǒng)。傳統(tǒng)前置式SID系統(tǒng)因蒸發(fā)與冷凝同處密閉空間，存在蒸汽滯留、冷凝液滴增大界面熱阻以及蓋板被動散熱緩慢等傳熱傳質(zhì)挑戰(zhàn)。受熱管內(nèi)部高效相變與熱質(zhì)循環(huán)機(jī)制啟發(fā)，提出了蒸發(fā)與冷凝的解耦設(shè)計，通過雙潤濕性蒸發(fā)膜和毛細(xì)冷凝管協(xié)同優(yōu)化傳熱傳質(zhì)。該裝置在戶外實測中產(chǎn)水量可達(dá)5.57 L m?2 h?1，為高效太陽能海水淡化提供了全新設(shè)計思路。相關(guān)成果以“Vertical architecture for decoupling evaporation and condensation processes in solar-driven interfacial desalination”為題發(fā)表于Cell Press期刊《Device》。論文第一作者為成都理工大學(xué)王佳程研究員。

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文章亮點(diǎn)

Article Highlights

類熱管垂直解耦構(gòu)型：創(chuàng)新性地將蒸發(fā)單元與冷凝單元在軸向方向上空間解耦，從根本上避免了傳統(tǒng)前置式系統(tǒng)中光線與蒸汽的相互干擾。

雙潤濕性界面?zhèn)髻|(zhì)調(diào)控：親水碳?xì)郑ㄕ舭l(fā)膜）與疏水PVDF納米纖維膜（透氣膜）的層疊結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了液體輸送與蒸汽逸出路徑的分離，消除了蒸汽滯留區(qū)，傳質(zhì)效率顯著提升。

微腔毛細(xì)強(qiáng)化冷凝相變：采用具有毛細(xì)內(nèi)壁的銅管，利用微腔體結(jié)構(gòu)降低成核能壘，并通過毛細(xì)力快速排出冷凝液，實現(xiàn)高效的滴狀冷凝。

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研究簡介

Research Overview

傳統(tǒng)的前置式（Front-side）SID系統(tǒng)通常將蒸發(fā)與冷凝過程置于同一密閉腔室內(nèi)。這種空間上的強(qiáng)耦合不可避免地引發(fā)了傳熱傳質(zhì)過程中的相互制約，主要體現(xiàn)在以下三個方面：蒸汽滯留受限傳質(zhì), 蒸汽在受限密閉空間內(nèi)積聚，導(dǎo)致驅(qū)動水分?jǐn)U散的濃度梯度顯著下降，從而抑制了界面的持續(xù)蒸發(fā)動力學(xué)。冷凝液滴附加熱阻, 附著在透光蓋板上的冷凝液滴盡管維持了光學(xué)透明性，但形成了一層附加的熱阻層。該熱阻降低了高效冷凝所需的界面溫差，導(dǎo)致傳熱驅(qū)動力下降。被動散熱制約冷凝, 兼顧透光與冷凝雙重功能的蓋板（如玻璃或亞克力材質(zhì)）導(dǎo)熱系數(shù)普遍較低，且依賴與環(huán)境的被動自然對流換熱。散熱能力受限導(dǎo)致液滴臨界成核半徑增大，進(jìn)而降低了冷凝液的形成與收集效率。

圖1 傳統(tǒng)前置式（空間耦合）與新型垂直式（空間解耦）SID裝置傳熱傳質(zhì)機(jī)制對比。

受熱管內(nèi)部高效相變與熱質(zhì)循環(huán)機(jī)制的啟發(fā)，團(tuán)隊構(gòu)建了一種新型垂直式SID裝置構(gòu)型（圖2）。該裝置以“空間解耦”為核心理念，將蒸發(fā)與冷凝兩大核心單元進(jìn)行了空間重構(gòu)。蒸發(fā)單元與冷凝單元在軸向上實現(xiàn)物理分離，有效消除了傳統(tǒng)前置式裝置構(gòu)型中的光吸收與蒸汽輸運(yùn)間的相互干擾。在該裝置設(shè)計中，海水于獨(dú)立蒸發(fā)端吸熱蒸發(fā)，生成的水蒸氣在壓差驅(qū)動下定向輸運(yùn)至冷凝端；同時，系統(tǒng)引入常溫進(jìn)料海水作為被動冷源，在無需額外能耗的條件下，實現(xiàn)了高效的潛熱回收與淡水冷凝。

圖2 垂直式SID裝置的整體架構(gòu)與核心組件：A垂直式SID裝置整體設(shè)計概念圖；B蒸發(fā)單元實物照片（含真空集熱管與雙潤濕性蒸發(fā)膜組件）；C冷凝單元結(jié)構(gòu)示意圖。

蒸發(fā)單元的核心在于“雙潤濕性膜組件”的構(gòu)建（EM@BM，圖3A）。底層親水碳?xì)郑‥M）利用毛細(xì)力將海水均勻輸運(yùn)至蒸發(fā)界面；頂層為靜電紡絲制備的疏水PVDF納米纖維膜（BM）。BM高達(dá)92%的孔隙率為水蒸氣逸出提供了充足的通道，同時其127°的接觸角形成了有效的液態(tài)水阻擋層，防止了海水的滲漏。該設(shè)計成功解耦了液態(tài)水供給與水蒸氣逸出的物理路徑。 COMSOL多物理場模擬進(jìn)一步揭示了其在傳熱傳質(zhì)上的協(xié)同效應(yīng)（圖3B-C）：在傳統(tǒng)單層膜（EM）結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部易出現(xiàn)局部高溫區(qū)，積聚的熱量未能有效轉(zhuǎn)化為汽化潛熱，形成了傳質(zhì)受限區(qū)。相比之下，EM@BM雙膜結(jié)構(gòu)為蒸汽提供了暢通的擴(kuò)散通道，實現(xiàn)了高度均勻的蒸汽濃度分布，顯著提升了傳質(zhì)效率；同時溫度場分布更為均勻，避免了局部過熱現(xiàn)象。此外，頂層BM低的熱導(dǎo)率（0.02 W m?1 K?1）起到了顯著的隔熱作用。通過溫度場均化與強(qiáng)化隔熱的協(xié)同，系統(tǒng)能夠?qū)崃坑行Ь钟蛟跉庖合嘧兘缑嫔希畲笙薅鹊亟档土讼颦h(huán)境的無效熱量散失。

圖3 雙潤濕性蒸發(fā)膜組件的傳熱傳質(zhì)分析：A 蒸發(fā)膜組件內(nèi)部的熱質(zhì)輸運(yùn)機(jī)制示意圖; B 基于COMSOL模擬的溫度場分布；C 基于COMSOL模擬的蒸汽濃度分布。

冷凝單元采用了內(nèi)壁構(gòu)建有毛細(xì)結(jié)構(gòu)的銅管（C-tube），其內(nèi)壁分布的5-10 μm的微球不僅擴(kuò)展了有效換熱面積，更作為異相成核的高密度活性位點(diǎn)，顯著降低了蒸汽冷凝所需的過飽和度。依據(jù)經(jīng)典成核理論，微結(jié)構(gòu)內(nèi)凹液面的形成有效降低了相變的吉布斯自由能壘。同時，微結(jié)構(gòu)提供的毛細(xì)力能夠加速冷凝液滴的脫附與排出，避免了高熱阻液膜的形成，從而維持了高效的滴狀冷凝模式。

COMSOL模擬結(jié)果進(jìn)一步證實了C-tube結(jié)構(gòu)在強(qiáng)化冷凝方面的傳熱傳質(zhì)優(yōu)勢，其內(nèi)部液相水占比顯著高于傳統(tǒng)光滑內(nèi)壁管（S-tube）。理論計算表明，在管內(nèi)徑≥8 mm且換熱溫差達(dá)90 K的工況下，C-tube的冷凝效率趨近于100%，展現(xiàn)出優(yōu)異的潛熱與淡水回收性能。

圖4 戶外真實工況下的裝置性能評價：A裝置戶外實地測試圖；B 測試期間的環(huán)境光照強(qiáng)度變化；C 環(huán)境溫度和相對濕度變化；D 裝置的逐時產(chǎn)水速率；E 裝置的累計產(chǎn)水量；F 本裝置與其他典型前置式和反式SID裝置的產(chǎn)水率及冷凝效率綜合對比。

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總結(jié)與展望

Summary and Outlook

戶外真實環(huán)境測試（圖4A-C），進(jìn)一步驗證了垂直式SID系統(tǒng)的實際工作性能。在自然動態(tài)光照條件下，該系統(tǒng)的峰值瞬時產(chǎn)水速率達(dá) 5.57 L m?2 h?1，連續(xù)9小時的累計產(chǎn)水量最高達(dá) 39.7 L m?2（圖4D-E），展現(xiàn)出優(yōu)異的實際產(chǎn)水效能。

綜上所述，本研究提出的基于類熱管空間解耦機(jī)制的垂直式太陽能界面脫鹽構(gòu)型，有效突破了傳統(tǒng)前置式SID裝置中蒸發(fā)與冷凝過程相互制約的瓶頸。通過雙潤濕性蒸發(fā)界面與毛細(xì)冷凝管的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部傳熱與傳質(zhì)路徑的協(xié)同優(yōu)化及能質(zhì)輸運(yùn)強(qiáng)化。該研究不僅通過實地測試驗證了其在復(fù)雜工況下的技術(shù)可行性，也為太陽能驅(qū)動的高效綠色水處理技術(shù)提供了創(chuàng)新的裝置構(gòu)型與理論支撐。

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Related Links

Jiacheng Wang, Yang Geng, Ruduan Yuan, Jinshuai Wang, Yujie Zheng, Wanyuan Shi, Meng Li, Vertical architecture for decoupling evaporation and condensation processes in solar-driven interfacial desalination, Device, 2026.

DOI:10.1016/j.device.2026.101113

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2666998626000657

團(tuán)隊網(wǎng)站：

https://www.x-mol.com/groups/li_meng

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作者介紹

Author Introduction

第一作者：王佳程，成都理工大學(xué)研究員。2025年博士畢業(yè)于重慶大學(xué)李猛教授團(tuán)隊，獲動力工程及工程熱物理博士學(xué)位，同年入選成都理工大學(xué)“珠峰引才計劃”B類骨干人才。主要從事仿生固液界面的設(shè)計及光熱界面蒸發(fā)方向的研究，作為骨干成員參與國家自然科學(xué)基金面上項目，現(xiàn)主持四川省自然科學(xué)基金青年基金B(yǎng)類項目、成都理工大學(xué)“珠峰引才計劃”科研啟動基金項目各一項。迄今累計發(fā)表SCI論文二十余篇，論文總被引 1000余次，個人H因子為 16，其中以第一/共同第一作者身份在Device、Nature Communications、Nano Energy等期刊發(fā)表論文多篇。

通訊作者：李猛，重慶大學(xué)教授/博導(dǎo)，入選斯坦福大學(xué)全球前2%頂尖科學(xué)家榜單、重慶市巴渝青年學(xué)者、高層次人才 等。2015年博士畢業(yè)于新加坡國立大學(xué)（NUS），長期從事仿生微納材料的固液界面能質(zhì)轉(zhuǎn)換與傳輸（基于微納固液界面調(diào)控的水系電池、光熱蒸發(fā)及醫(yī)工交叉等研究），獲重慶市自然科學(xué)二等獎兩項（排名第一和第三）、亞洲創(chuàng)新發(fā)明展覽會金獎。主持國家自然科學(xué)基金項目2項、科技部國家重大專項子課題、省部級重點(diǎn)/面上/企業(yè)橫向等項目20余項，已經(jīng)在國內(nèi)外SCI學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文一百余篇，論文被引用 9000余次，H因子為 56。