蒸發材料0510丨東北大學/中國科學院《自然·通訊》最新論文丨通過協調多相流實現超高效太陽能蒸發

2026年5月7日，國際期刊《Nature Communications》在線發表了東北大學/中國科學院題為“Ultrahigh efficiency solar evaporation through orchestrated multiphase flow”的研究性論文。本文報道了一個全局性的“TPPJ”的圓柱體“混合神器”，該系統協同調控多相流動動力學與傳熱過程，實現了能量收集、供水、蒸汽逸散與鹽分回流的統一。這一集成設計在開放環境、一倍太陽輻照下實現了11.2 kg m?2 h?1的超高蒸發速率。該系統在約15 wt.%的鹽水中穩定運行超過100小時而無鹽結晶現象。戶外自然光照測試顯示，每日淡水產量達到39.8 L m?2。Nature Communications是Nature Portfolio旗下的多學科開放獲取期刊，涵蓋生物、化學、物理、材料、環境等廣泛領域。

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

識別上方二維碼訪問論文原文

太陽能驅動界面蒸發是緩解全球水資源短缺的一種可持續解決方案。盡管前景廣闊，但開發高能效且耐鹽的系統仍是一項嚴峻挑戰。為此，本研究構建了一個耦合補水、蒸汽耗散、鹽分排除與熱傳遞的多相流動力學框架，進而設計出一種集成蒸發系統。該系統采用雙峰多孔聚乙烯醇-聚乙烯吡咯烷酮水凝膠實現同步供水與鹽分回流，采用穿孔的燈芯草莖促進蒸汽產生與逸出，并利用寬帶吸收的平帶λ-Ti?O?粉末實現太陽光廣譜吸收。在一倍太陽輻照下，該系統實現了11.2 kg m?2 h?1的優異蒸發速率（按頂部受光投影面積歸一化），表觀效率達278.3%（定義為從入射太陽輻照和環境熱能獲取的總能量與太陽輸入能量之比）。值得注意的是，該系統在約15 wt.%的鹽水中穩定運行，無鹽結晶現象。戶外自然日光測試表明，每日淡水產量達39.8 L m?2（按頂部受光投影面積歸一化）。本工作通過協同解決SDIE系統中的能量、水、蒸汽和鹽分管理問題，為可持續太陽能海水淡化提供了一種穩健且可規?；姆椒?/strong>。

淡水短缺是一項嚴峻的全球性挑戰，對生態系統和人類生存構成嚴重威脅。應對這一危機需要創新且可持續的技術解決方案，其中海水淡化是最具可行性的長期戰略。盡管反滲透和多級閃蒸等成熟技術已廣泛部署，但太陽能驅動界面蒸發因其環境友好性和經濟可行性而獲得大量研究關注，尤其適用于偏遠和離網地區的分散式應用。近年來，SDIE系統在高效光熱材料實現寬帶太陽光吸收、優化結構設計以最小化熱耗散，以及通過界面水限域降低汽化焓等方面已接近理論太陽能-蒸汽效率極限。然而，兩個關鍵制約因素阻礙了實際應用：較低的太陽光通量密度（<1 kW m?2）和熱力學驅動的鹽結晶。

從能量傳遞與質量輸運的角度看，理想的SDIE系統依賴于四個基本過程的協同集成：（i）超越太陽光輸入的能量收集增強，（ii）持續的界面水供應，（iii）暢通的蒸汽擴散，以及（iv）可持續的鹽分排除。為實現這一目標，需系統解決四個關鍵問題。首先，抬升結構通過增加表面積和優化熱梯度增強環境能量捕獲，但此類設計同時會削弱毛細水輸送并加劇蒸發界面的鹽結晶。因此，必須在能量收集效率與水/鹽輸運之間進行審慎權衡。其次，采用分級多孔基質以維持持續的水補充和鹽分再循環。其中，大孔支持高效流體輸運和鹽循環，而微孔則促進毛細驅動的水流動。盡管具有這些優點，孔隙結構的精確調控仍然是一個未解決的挑戰，限制了系統的優化潛力。第三，互連的孔隙結構對于實現蒸汽從內部孔隙向表面的高效遷移至關重要。然而，停滯的“死區”的存在凸顯了設計蒸汽耗散路徑的迫切需求]。解決該問題對于提升整體蒸汽擴散效率具有關鍵意義。第四，垂直通道構型為可持續鹽分回流提供了一種策略，旨在緩解持續的結晶挑戰。然而，在抬升結構中鹽擴散與供水之間的耦合動力學仍缺乏定量描述，構成了系統設計中的一個關鍵知識空白?？傊?，優化這四個方面需要在太陽能蒸發器內精確調控多相輸運以及水-蒸汽-鹽-熱耦合動力學。

基于水凝膠的蒸發器構成了一個多功能的SDIE平臺，具有自浮性、優異的機械柔韌性和可調親水性等獨特優勢。重要的是，水凝膠可調控的三維多孔網絡提供了顯著優點，包括：（i）通過網絡拓撲結構的分子級工程調控水態，以改變界面水組成；（ii）通過可控的孔隙結構增強流體輸運，促進界面水供應和鹽分回流；（iii）與太陽能吸收體、天然骨架和蒸汽抽取煙囪進行雜化系統集成，以優化熱傳遞和蒸汽耗散。盡管具有這些良好特性，當前策略仍 predominantly 基于經驗，缺乏對水-蒸汽-鹽-熱耦合輸運動力學的深入理解。這一知識空白極大地阻礙了材料和結構的理性優化，因此需要基于物理學的設計框架來系統推進SDIE系統的發展

設計了一種圓柱形TPPJ集成蒸發器，融合三項功能：雙峰多孔PVA/PVP水凝膠通過小孔毛細供水、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?納米材料實現寬帶光吸收，頂部倒圓錐形凹槽強化光熱捕獲。

高長徑比圓柱體用于環境熱能吸收（圖1左圖）；水凝膠雙峰孔道（小孔毛細供水，大孔鹽分回流）（圖1中間圖）；右側JE莖誘導煙囪效應以促進蒸汽逸散（圖1右圖）。

圖1 | λ-Ti?O?/PVA/PVP/JE（TPPJ）蒸發器的概念架構。a高長徑比TPPJ蒸發器，由λ-Ti?O?粉末、PVA/PVP水凝膠和穿孔JE莖構成，能夠實現超越入射太陽光輸入的環境能量收集。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，促進水傳輸與鹽分回流（虛線框內突出顯示）。c由穿孔JE莖衍生的內置式內部煙囪狀通道，增強界面蒸發并促進蒸汽逸散。

SEM表明，PVP加入誘導相分離，形成雙峰孔（大孔徑≈72 μm）。拉曼光譜與DSC證實，PPH-5水凝膠富含中間水（IW），使界面水蒸發焓從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定的開孔峰值孔體積分數（按總開孔體積歸一化）。e, fPPH-0和PPH-5的拉曼光譜，分別對PVA的C–H伸縮振動區以及自由水和中間水的O–H伸縮振動區進行曲線擬合。gDSC信號及擬合曲線，顯示完全溶脹的PPH-0和PPH-5中凍結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信號的幅值與測量過程中的熱流成正比。i純λ-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光譜（AM 1.5G）。

XCT和SEM表明，JE內部為網狀結構且高度疏水（接觸角162.8°）。遇水后形成“核-殼”潤濕構型（外層潤濕，內芯干燥）。該干燥內芯作為低阻力蒸汽逃逸通道，驗證了“蒸汽傳輸通道”的創新性。

圖3 | 原始JE的形態特征與水侵入行為。aJE莖的數碼照片。b, cJE節段的橫截面和縱截面SEM圖像。d, e水侵入條件下JE節段的重建XCT圖像。fJE節段內水侵入的局部放大圖。d–f圖右側的色條代表水攝取量的大小。

TPPJ-5（含5根JE莖）的蒸發率達11.21 kg·m?2·h?1，表觀效率高達278.3%，表明其吸收了遠超太陽能輸入的環境熱（超182%）。紋影成像與模擬圖直觀呈現定向向上的蒸汽射流（煙囪效應），從而驗證了光熱協同架構的顯著優勢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）的高長徑比TPPJ蒸發器（1.4 cm直徑 × 10 cm暴露高度）的蒸發性能。a一倍太陽輻照下水的質量隨時間變化（插圖：帶有穿孔JE節段構型的蒸發器俯視圖）。同時記錄了暗態條件下的數據以凸顯環境能量的貢獻。b蒸發速率和表觀效率（η）隨穿孔JE節段數量的變化。η定義為從入射太陽輻照與環境熱收集獲得的總能量與太陽輸入能量之比。誤差棒表示平均蒸發速率的標準差（n = 3個重復樣）。c優化后的TPPJ-5蒸發器在模擬15.3 wt.%鹽水、一倍太陽輻照下的蒸發速率隨時間變化（插圖：一倍太陽光照100小時前后的照片，顯示無鹽沉淀）。d在三倍太陽輻照下采集1小時的紋影圖像，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底部渦流死區的近距離視圖。注：所有報告的蒸發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水39.8 L·m?2，冷凝水鹽度遠低于WHO標準。這驗證了系統的規?；瘽摿εc實際脫鹽應用價值，實現了從實驗室到應用的跨越。

圖5 | 陣列型TPPJ-5蒸發器的戶外蒸發性能。a太陽能海水淡化裝置的概念設計。b太陽光通量、集水速率及淡水產量隨日間時段的變化。c凈化前后離子濃度對比。d現有3D蒸發器的戶外日淡水產量與太陽光通量的關系：基于水凝膠的蒸發器比較。

本文報道了一個全局性的TPPJ蒸發系統，該系統協同調控多相流動動力學與傳熱過程，實現了能量收集、供水、蒸汽逸散與鹽分回流的統一。這一集成設計在開放環境、一倍太陽輻照下實現了11.2 kg m?2 h?1的超高蒸發速率，并在自然陽光下實現了39.8 kg m?2的戶外日淡水產量——二者均按頂部受光投影面積歸一化——同時保持長期運行穩定性。該優異性能源于以下組件的協同集成：用于快速供水與鹽分回流的雙峰多孔PVA/PVP水凝膠基質、用于高效蒸汽產生與釋放的仿生穿孔JE通道、用于優化溫度梯度的倒錐形空腔幾何結構，以及將能量收集拓展至太陽輻照之外的高長徑比設計。這一協同策略克服了水-汽-鹽-熱耦合的根本性挑戰，為實用型太陽能海水淡化提供了一條可規?；陌l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

識別上方二維碼訪問論文原文

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材料丨吸附材料丨電極材料丨除磷材料丨產氫材料

2025年9月，國際TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發表了陽光凈水課題組題為“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Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述多功能和可持續殼聚糖基界面蒸發材料在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本文總結了殼聚糖基太陽能界面蒸發器（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用。最后，總結了CS-SIEs在際應用中仍面臨挑戰。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環境、制藥、食品等領域的工業應用，最新中科院分區：8.50/二區TOP期刊。

識別上方二維碼查看全文

聲明： 1 、環境與能源功能材料公眾號分享國際生物質（殼聚糖、纖維素、木質素、海藻酸等）功能材料、太陽能蒸發材料、新型吸附材料、碳基（石墨烯、碳納米管、碳量子點、生物炭、富勒烯等）材料、 MOFs/HOFs/COFs 材料、光催化材料、 Fenton 材料、產氫材料等相關前沿學術成果，以及其它相關數據處理方法、論文寫作和論文投稿等信息，無商業用途。2、本公眾號尊重原創和知識產權人的合法權利。如涉及侵權，請立刻聯系公眾號后臺或發送郵件，我們將及時修改或刪除。3 、部分圖片和資源來源網絡或轉摘其它公眾號！凡注明 " 來源： xxx （非本公眾號） " 的作品，均轉載自其它媒體，轉載目的在于傳遞更多信息，并不代表本公眾號贊同其觀點和對其真實性負責，且不承擔此類作品侵權行為的直接責任及連帶責任。 4 、外文文獻翻譯目的在于傳遞更多國際相關領域信息。外文文獻由課題組研究生翻譯，因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大家批評指正。 5 、歡迎環境與能源材料相關研究成果提供稿件，環境與能源功能材料公眾號將會及時推送。聯系郵箱：EEmaterials@163.com ； 聯系微信號： LeoChuk 。