光熱蒸發如何從二維到三維？

導讀

是否觀察過這樣一個現象：一杯置于空氣中的常溫水，即使沒有被加熱、沒有被陽光直射，也會緩慢蒸發。更有意思的是，蒸發本身需要消耗的熱量可以直接來自周圍環境。正是這種看似普通卻又頗反直覺的現象，啟發了研究人員對新型蒸發結構的探索...

一、三維蒸發器的發展背景

傳統太陽能界面蒸發器大多是二維平面結構，其性能提升很大程度上依賴于對太陽能的高效利用。但由于單位投影面積下的太陽能輸入有限，二維蒸發逐漸接近瓶頸。

三維蒸發器則進一步拓展了能量來源：除頂面吸收太陽能外，側壁還可通過與環境的熱質交換獲取額外能量，蒸發過程也由單一太陽驅動走向了太陽與環境協同供能。

三維蒸發器因環境中獲取能量這一機制為海水淡化、廢水處理和資源提取等場景提供了全新的解決思路。

圖1 二維、三維蒸發器[1]

核心內容

二、基本原理：蒸發中的熱流與質流“逆向而行”

要理解三維蒸發，首先需要理解一個更基礎的現象——冷蒸發。

我們平時會覺得，熱量和水蒸氣一起“向外走”。但真實情況往往并不是這樣。對于一杯處在環境溫度下的水來說，水分子不斷從液相進入氣相，形成由液面指向空氣的質量傳遞；與此同時，蒸發會帶走能量，使液面溫度略低于環境溫度，于是環境中的熱量便沿著溫度梯度流回液面。也就是說，質量通量向外，而熱通量向內。

圖2 水的冷蒸發

這正是三維蒸發能夠從環境中獲得能量的物理基礎。對于三維蒸發器的側壁而言，它在很多情況下就類似于“常溫下正在蒸發的一杯水表面”：蒸汽向外擴散，熱量卻從環境補給進來。這種熱質傳遞方向不一致的現象，構成了三維蒸發區別于傳統二維蒸發的重要機制基礎。

三、核心思想：從環境中獲得熱量

三維蒸發器最核心的思想是從環境中獲得能量：蒸發表面在發生相變時，會因為蒸發吸熱而降溫；一旦表面溫度低于周圍環境，環境中的熱量就會反過來流向蒸發表面，為蒸發持續提供能量。

圖3 三維蒸發器從環境中獲取能量[2]

這意味著，蒸發并不一定只是“被太陽加熱后發生”的過程。對于合適設計的蒸發結構來說，太陽能只是其中一部分驅動力，周圍空氣、鄰近水體等環境也可以成為能量來源。三維蒸發器正是通過結構設計，把這種來自環境的熱補給更充分地利用起來。

四、從二維到三維：為什么傳統界面蒸發需要新的結構設計

傳統二維太陽能界面蒸發器的核心優勢，在于把熱量集中在蒸發表面附近，避免大量熱量傳入體相水中浪費掉。圍繞這一目標，研究者發展出了一系列熱管理策略，例如提升太陽光吸收、降低紅外輻射損失、減少向下導熱，以及優化供水通道等。通過這些設計，二維蒸發器已經能夠在較小面積內實現高效蒸發。

圖4 傳統二維蒸發器的熱管理[3]

但二維結構存在一個明顯限制：在相同投影面積下，它從太陽獲得的直接輸入能量是有限的。 當這部分能量利用逐漸逼近極限后，僅僅依靠優化材料吸光與隔熱，提升空間就會越來越小。

于是，人們開始把目光轉向三維結構。三維蒸發器一方面保留了頂面的太陽能吸收能力，另一方面又增加了側壁面積，使蒸發不再局限于一個平面之上。更關鍵的是，這些側壁在特定條件下還能從環境中獲得熱量，從而形成“太陽輸入 + 環境補熱”的協同蒸發模式。這也是三維蒸發器近年來受到廣泛關注的根本原因。

五、三維蒸發器的展望

隨著研究不斷深入，三維蒸發器的發展重點，從早期的結構搭建與現象展示，逐步轉向更清晰的機理認識與更理性的設計優化、規模化探索。優秀的三維蒸發器，本質上是一種熱、質和結構協同設計的結果。

未來，這一方向不僅需要繼續厘清頂面吸光、側壁蒸發以及環境能量獲取之間的耦合關系，也需要進一步回答什么樣的結構才是真正有效的三維蒸發器、其性能邊界又在哪里。

以陳剛團隊的工作為代表[4]，研究者從熱質傳遞模型出發，重新審視三維蒸發器的臨界條件、尺度效應與放大規律。可以預見，隨著對其設計機理和環境適應性的認識不斷深化，三維蒸發器有望從概念驗證走向更可控、更可放大的器件設計，并在海水淡化、高鹽廢水處理和資源提取等領域展現更大的應用潛力。

重要參考文獻

[1] H. T.Kim, L.Philip, A.McDonagh, M.Johir, J.Ren, H. K.Shon, L. D.Tijing, Recent Advances in High-Rate Solar-Driven Interfacial Evaporation. Adv. Sci.2024, 11, 2401322.

[2] Li X, Li J, Lu J ...Enhancement of Interfacial Solar Vapor Generation by Environmental Energy.Joule, 2018; 2, 1331-1338

[3] X. Li, R. Lin, G. Ni, et al. Three-dimensional artificial transpiration for efficient solar waste-water treatment. National Science Review, 2018, 5(1): 70–77.

[4] Zhang J H, Mittapally R, Oluwade A, et al. Mechanisms and scale-up potential of 3D solar interfacial-evaporators[J]. Energy & Environmental Science, 2025, 18(11): 5524-5538.

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