蒸發(fā)材料0510丨東北大學(xué)/中國(guó)科學(xué)院《自然·通訊》最新論文丨通過協(xié)調(diào)多相流實(shí)現(xiàn)超高效太陽(yáng)能蒸發(fā)

2026年5月7日，國(guó)際期刊《Nature Communications》在線發(fā)表了東北大學(xué)/中國(guó)科學(xué)院題為“Ultrahigh efficiency solar evaporation through orchestrated multiphase flow”的研究性論文。本文報(bào)道了一個(gè)全局性的“TPPJ”的圓柱體“混合神器”，該系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控多相流動(dòng)動(dòng)力學(xué)與傳熱過程，實(shí)現(xiàn)了能量收集、供水、蒸汽逸散與鹽分回流的統(tǒng)一。這一集成設(shè)計(jì)在開放環(huán)境、一倍太陽(yáng)輻照下實(shí)現(xiàn)了11.2 kg m?2 h?1的超高蒸發(fā)速率。該系統(tǒng)在約15 wt.%的鹽水中穩(wěn)定運(yùn)行超過100小時(shí)而無鹽結(jié)晶現(xiàn)象。戶外自然光照測(cè)試顯示，每日淡水產(chǎn)量達(dá)到39.8 L m?2。Nature Communications是Nature Portfolio旗下的多學(xué)科開放獲取期刊，涵蓋生物、化學(xué)、物理、材料、環(huán)境等廣泛領(lǐng)域。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72908-5

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太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)是緩解全球水資源短缺的一種可持續(xù)解決方案。盡管前景廣闊，但開發(fā)高能效且耐鹽的系統(tǒng)仍是一項(xiàng)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為此，本研究構(gòu)建了一個(gè)耦合補(bǔ)水、蒸汽耗散、鹽分排除與熱傳遞的多相流動(dòng)力學(xué)框架，進(jìn)而設(shè)計(jì)出一種集成蒸發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙峰多孔聚乙烯醇-聚乙烯吡咯烷酮水凝膠實(shí)現(xiàn)同步供水與鹽分回流，采用穿孔的燈芯草莖促進(jìn)蒸汽產(chǎn)生與逸出，并利用寬帶吸收的平帶λ-Ti?O?粉末實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光廣譜吸收。在一倍太陽(yáng)輻照下，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了11.2 kg m?2 h?1的優(yōu)異蒸發(fā)速率（按頂部受光投影面積歸一化），表觀效率達(dá)278.3%（定義為從入射太陽(yáng)輻照和環(huán)境熱能獲取的總能量與太陽(yáng)輸入能量之比）。值得注意的是，該系統(tǒng)在約15 wt.%的鹽水中穩(wěn)定運(yùn)行，無鹽結(jié)晶現(xiàn)象。戶外自然日光測(cè)試表明，每日淡水產(chǎn)量達(dá)39.8 L m?2（按頂部受光投影面積歸一化）。本工作通過協(xié)同解決SDIE系統(tǒng)中的能量、水、蒸汽和鹽分管理問題，為可持續(xù)太陽(yáng)能海水淡化提供了一種穩(wěn)健且可規(guī)模化的方法。

淡水短缺是一項(xiàng)嚴(yán)峻的全球性挑戰(zhàn)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類生存構(gòu)成嚴(yán)重威脅。應(yīng)對(duì)這一危機(jī)需要?jiǎng)?chuàng)新且可持續(xù)的技術(shù)解決方案，其中海水淡化是最具可行性的長(zhǎng)期戰(zhàn)略。盡管反滲透和多級(jí)閃蒸等成熟技術(shù)已廣泛部署，但太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)因其環(huán)境友好性和經(jīng)濟(jì)可行性而獲得大量研究關(guān)注，尤其適用于偏遠(yuǎn)和離網(wǎng)地區(qū)的分散式應(yīng)用。近年來，SDIE系統(tǒng)在高效光熱材料實(shí)現(xiàn)寬帶太陽(yáng)光吸收、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以最小化熱耗散，以及通過界面水限域降低汽化焓等方面已接近理論太陽(yáng)能-蒸汽效率極限。然而，兩個(gè)關(guān)鍵制約因素阻礙了實(shí)際應(yīng)用：較低的太陽(yáng)光通量密度（<1 kW m?2）和熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的鹽結(jié)晶。

從能量傳遞與質(zhì)量輸運(yùn)的角度看，理想的SDIE系統(tǒng)依賴于四個(gè)基本過程的協(xié)同集成：（i）超越太陽(yáng)光輸入的能量收集增強(qiáng)，（ii）持續(xù)的界面水供應(yīng)，（iii）暢通的蒸汽擴(kuò)散，以及（iv）可持續(xù)的鹽分排除。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需系統(tǒng)解決四個(gè)關(guān)鍵問題。首先，抬升結(jié)構(gòu)通過增加表面積和優(yōu)化熱梯度增強(qiáng)環(huán)境能量捕獲，但此類設(shè)計(jì)同時(shí)會(huì)削弱毛細(xì)水輸送并加劇蒸發(fā)界面的鹽結(jié)晶。因此，必須在能量收集效率與水/鹽輸運(yùn)之間進(jìn)行審慎權(quán)衡。其次，采用分級(jí)多孔基質(zhì)以維持持續(xù)的水補(bǔ)充和鹽分再循環(huán)。其中，大孔支持高效流體輸運(yùn)和鹽循環(huán)，而微孔則促進(jìn)毛細(xì)驅(qū)動(dòng)的水流動(dòng)。盡管具有這些優(yōu)點(diǎn)，孔隙結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控仍然是一個(gè)未解決的挑戰(zhàn)，限制了系統(tǒng)的優(yōu)化潛力。第三，互連的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)于實(shí)現(xiàn)蒸汽從內(nèi)部孔隙向表面的高效遷移至關(guān)重要。然而，停滯的“死區(qū)”的存在凸顯了設(shè)計(jì)蒸汽耗散路徑的迫切需求]。解決該問題對(duì)于提升整體蒸汽擴(kuò)散效率具有關(guān)鍵意義。第四，垂直通道構(gòu)型為可持續(xù)鹽分回流提供了一種策略，旨在緩解持續(xù)的結(jié)晶挑戰(zhàn)。然而，在抬升結(jié)構(gòu)中鹽擴(kuò)散與供水之間的耦合動(dòng)力學(xué)仍缺乏定量描述，構(gòu)成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵知識(shí)空白。總之，優(yōu)化這四個(gè)方面需要在太陽(yáng)能蒸發(fā)器內(nèi)精確調(diào)控多相輸運(yùn)以及水-蒸汽-鹽-熱耦合動(dòng)力學(xué)。

基于水凝膠的蒸發(fā)器構(gòu)成了一個(gè)多功能的SDIE平臺(tái)，具有自浮性、優(yōu)異的機(jī)械柔韌性和可調(diào)親水性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。重要的是，水凝膠可調(diào)控的三維多孔網(wǎng)絡(luò)提供了顯著優(yōu)點(diǎn)，包括：（i）通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分子級(jí)工程調(diào)控水態(tài)，以改變界面水組成；（ii）通過可控的孔隙結(jié)構(gòu)增強(qiáng)流體輸運(yùn)，促進(jìn)界面水供應(yīng)和鹽分回流；（iii）與太陽(yáng)能吸收體、天然骨架和蒸汽抽取煙囪進(jìn)行雜化系統(tǒng)集成，以優(yōu)化熱傳遞和蒸汽耗散。盡管具有這些良好特性，當(dāng)前策略仍 predominantly 基于經(jīng)驗(yàn)，缺乏對(duì)水-蒸汽-鹽-熱耦合輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)的深入理解。這一知識(shí)空白極大地阻礙了材料和結(jié)構(gòu)的理性優(yōu)化，因此需要基于物理學(xué)的設(shè)計(jì)框架來系統(tǒng)推進(jìn)SDIE系統(tǒng)的發(fā)展

設(shè)計(jì)了一種圓柱形TPPJ集成蒸發(fā)器，融合三項(xiàng)功能：雙峰多孔PVA/PVP水凝膠通過小孔毛細(xì)供水、大孔排鹽；超疏水（接觸角162.8°）燈心草莖嵌入其中，形成低阻力蒸汽逃逸通道；λ-Ti?O?納米材料實(shí)現(xiàn)寬帶光吸收，頂部倒圓錐形凹槽強(qiáng)化光熱捕獲。

高長(zhǎng)徑比圓柱體用于環(huán)境熱能吸收（圖1左圖）；水凝膠雙峰孔道（小孔毛細(xì)供水，大孔鹽分回流）（圖1中間圖）；右側(cè)JE莖誘導(dǎo)煙囪效應(yīng)以促進(jìn)蒸汽逸散（圖1右圖）。

圖1 | λ-Ti?O?/PVA/PVP/JE（TPPJ）蒸發(fā)器的概念架構(gòu)。a高長(zhǎng)徑比TPPJ蒸發(fā)器，由λ-Ti?O?粉末、PVA/PVP水凝膠和穿孔JE莖構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)超越入射太陽(yáng)光輸入的環(huán)境能量收集。b通過定向冷凍過程中的可控相分離形成的垂直排列雙峰孔道，促進(jìn)水傳輸與鹽分回流（虛線框內(nèi)突出顯示）。c由穿孔JE莖衍生的內(nèi)置式內(nèi)部煙囪狀通道，增強(qiáng)界面蒸發(fā)并促進(jìn)蒸汽逸散。

SEM表明，PVP加入誘導(dǎo)相分離，形成雙峰孔（大孔徑≈72 μm）。拉曼光譜與DSC證實(shí)，PPH-5水凝膠富含中間水（IW），使界面水蒸發(fā)焓從2475 J/g降至1521 J/g。

圖2 | PPH樣品的表征。a–cPPH-0和PPH-5的橫截面SEM圖像。dPPH-0和PPH-5的孔徑分布。圖中百分比為通過壓汞法測(cè)定的開孔峰值孔體積分?jǐn)?shù)（按總開孔體積歸一化）。e, fPPH-0和PPH-5的拉曼光譜，分別對(duì)PVA的C–H伸縮振動(dòng)區(qū)以及自由水和中間水的O–H伸縮振動(dòng)區(qū)進(jìn)行曲線擬合。gDSC信號(hào)及擬合曲線，顯示完全溶脹的PPH-0和PPH-5中凍結(jié)的自由水與中間水的熔融行為。h體相水、水合PPH-0和水合PPH-5的熱分析曲線。DSC信號(hào)的幅值與測(cè)量過程中的熱流成正比。i純?chǔ)?Ti?O?、TPPH-B0（10.71 wt.% λ-Ti?O?@PPH-0）和TPPH-B5（10.71 wt.% λ-Ti?O?@PPH-5）的光吸收光譜。背景為隨頻率變化的太陽(yáng)光譜（AM 1.5G）。

XCT和SEM表明，JE內(nèi)部為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且高度疏水（接觸角162.8°）。遇水后形成“核-殼”潤(rùn)濕構(gòu)型（外層潤(rùn)濕，內(nèi)芯干燥）。該干燥內(nèi)芯作為低阻力蒸汽逃逸通道，驗(yàn)證了“蒸汽傳輸通道”的創(chuàng)新性。

圖3 | 原始JE的形態(tài)特征與水侵入行為。aJE莖的數(shù)碼照片。b, cJE節(jié)段的橫截面和縱截面SEM圖像。d, e水侵入條件下JE節(jié)段的重建XCT圖像。fJE節(jié)段內(nèi)水侵入的局部放大圖。d–f圖右側(cè)的色條代表水?dāng)z取量的大小。

TPPJ-5（含5根JE莖）的蒸發(fā)率達(dá)11.21 kg·m?2·h?1，表觀效率高達(dá)278.3%，表明其吸收了遠(yuǎn)超太陽(yáng)能輸入的環(huán)境熱（超182%）。紋影成像與模擬圖直觀呈現(xiàn)定向向上的蒸汽射流（煙囪效應(yīng)），從而驗(yàn)證了光熱協(xié)同架構(gòu)的顯著優(yōu)勢(shì)及仿生排汽通道的有效性。

圖4 | 具有倒錐形空腔（0.9 cm直徑 × 5 cm深度）的高長(zhǎng)徑比TPPJ蒸發(fā)器（1.4 cm直徑 × 10 cm暴露高度）的蒸發(fā)性能。a一倍太陽(yáng)輻照下水的質(zhì)量隨時(shí)間變化（插圖：帶有穿孔JE節(jié)段構(gòu)型的蒸發(fā)器俯視圖）。同時(shí)記錄了暗態(tài)條件下的數(shù)據(jù)以凸顯環(huán)境能量的貢獻(xiàn)。b蒸發(fā)速率和表觀效率（η）隨穿孔JE節(jié)段數(shù)量的變化。η定義為從入射太陽(yáng)輻照與環(huán)境熱收集獲得的總能量與太陽(yáng)輸入能量之比。誤差棒表示平均蒸發(fā)速率的標(biāo)準(zhǔn)差（n = 3個(gè)重復(fù)樣）。c優(yōu)化后的TPPJ-5蒸發(fā)器在模擬15.3 wt.%鹽水、一倍太陽(yáng)輻照下的蒸發(fā)速率隨時(shí)間變化（插圖：一倍太陽(yáng)光照100小時(shí)前后的照片，顯示無鹽沉淀）。d在三倍太陽(yáng)輻照下采集1小時(shí)的紋影圖像，顯示TPPJ-1和TPPJ-5中的定向蒸汽流。eTPPJ-1蒸汽通量流線的模擬空間分布。f頂部蒸汽耗散通道的近距離視圖。g底部渦流死區(qū)的近距離視圖。注：所有報(bào)告的蒸發(fā)速率均已按頂部受光投影面積歸一化。

大型戶外裝置在自然光下日產(chǎn)水39.8 L·m?2，冷凝水鹽度遠(yuǎn)低于WHO標(biāo)準(zhǔn)。這驗(yàn)證了系統(tǒng)的規(guī)模化潛力與實(shí)際脫鹽應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)室到應(yīng)用的跨越。

圖5 | 陣列型TPPJ-5蒸發(fā)器的戶外蒸發(fā)性能。a太陽(yáng)能海水淡化裝置的概念設(shè)計(jì)。b太陽(yáng)光通量、集水速率及淡水產(chǎn)量隨日間時(shí)段的變化。c凈化前后離子濃度對(duì)比。d現(xiàn)有3D蒸發(fā)器的戶外日淡水產(chǎn)量與太陽(yáng)光通量的關(guān)系：基于水凝膠的蒸發(fā)器比較。

本文報(bào)道了一個(gè)全局性的TPPJ蒸發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控多相流動(dòng)動(dòng)力學(xué)與傳熱過程，實(shí)現(xiàn)了能量收集、供水、蒸汽逸散與鹽分回流的統(tǒng)一。這一集成設(shè)計(jì)在開放環(huán)境、一倍太陽(yáng)輻照下實(shí)現(xiàn)了11.2 kg m?2 h?1的超高蒸發(fā)速率，并在自然陽(yáng)光下實(shí)現(xiàn)了39.8 kg m?2的戶外日淡水產(chǎn)量——二者均按頂部受光投影面積歸一化——同時(shí)保持長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。該優(yōu)異性能源于以下組件的協(xié)同集成：用于快速供水與鹽分回流的雙峰多孔PVA/PVP水凝膠基質(zhì)、用于高效蒸汽產(chǎn)生與釋放的仿生穿孔JE通道、用于優(yōu)化溫度梯度的倒錐形空腔幾何結(jié)構(gòu)，以及將能量收集拓展至太陽(yáng)輻照之外的高長(zhǎng)徑比設(shè)計(jì)。這一協(xié)同策略克服了水-汽-鹽-熱耦合的根本性挑戰(zhàn)，為實(shí)用型太陽(yáng)能海水淡化提供了一條可規(guī)模化的發(fā)展路徑。

Tang, R., Chen, W.,Yang, B. et al. Ultrahigh efficiency solar evaporation through orchestrated multiphase flow. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72908-5

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殼聚糖丨纖維素丨MOF材料丨石墨烯丨碳納米管丨MXenes丨硫化鉬丨催化材料丨蒸發(fā)材料丨吸附材料丨電極材料丨除磷材料丨產(chǎn)氫材料

2025年9月，國(guó)際TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發(fā)表了陽(yáng)光凈水課題組題為“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的綜述性論文。根據(jù)Web of Science檢索，這是國(guó)際上首篇全面論述多功能和可持續(xù)殼聚糖基界面蒸發(fā)材料在廢水處理和水凈化中應(yīng)用的綜述性論文。本文總結(jié)了殼聚糖基太陽(yáng)能界面蒸發(fā)器（CS-SIE）四種類型（水凝膠、氣凝膠、海綿和膜）、五種改性材料和在水污染控制中應(yīng)用。最后，總結(jié)了CS-SIEs在際應(yīng)用中仍面臨挑戰(zhàn)。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化學(xué)改性及其在生物、環(huán)境、制藥、食品等領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用，最新中科院分區(qū)：8.50/二區(qū)TOP期刊。

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