论文信息： C. Wang, C. Lin, K. Xu, Y. Liu, Z. Lao, J. Cao, B. Liu, A. Baqais, K. Bin Bandar, S. Aldrees, M.A. Alhussaini, S.-Y. Leu, N. Ghaffour, Q. Gan, W. Wang, P. Wang, Engineering high environmental robustness in solar evaporation to bridge the lab-to-field performance gap, Nat Commun (2026).
论文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-026-71004-y.
研究背景
太阳蒸发一直被视为离网制取淡水的一条很有潜力的路线，尤其适合缺乏大型基础设施的海岛、偏远地区和高缺水地区。过去这些年，多级向下太阳蒸发系统在实验室里已经做出了很高的产水效率，甚至明显超过单级蒸发的热力学上限。但真正到了户外，问题就暴露出来了：同样的太阳辐照条件下，系统性能常常比实验室结果下降23%到57%。这说明，决定技术能否真正落地的，不只是实验室里的高指标，更关键的是在风速、天空辐射冷却、环境温度和太阳通量波动等复杂条件下，系统还能不能保持稳定输出。正是围绕这个长期被忽视的“实验室—现场差距”，这项工作提出了新的评价指标和新的工程解决思路。
研究内容
研究首先这项工作一开始并没有急着去追求更高的产水纪录，而是先追问一个更基础的问题：为什么太阳蒸发器在实验室表现很好，一到户外就明显失效。围绕这个问题，文中首先定义了环境稳健性指数 ERI，也就是现场归一化产水率与实验室归一化产水率之比，用它来直接衡量一个系统抵抗环境扰动的能力。进一步的热损失分析表明，户外场景下最大的麻烦并不只是风带来的对流散热，还包括晴空条件下由于大气窗口导致的“天空冷却”效应，这些额外热损失正是造成 lab-to-field 性能鸿沟的核心来源。
图1. 在不同环境条件下，带有和不带 SSAL 绝热层的吸收体热损失情况。（a）不同温度黑体的光谱辐亮度曲线（左纵轴），阴影区域表示大气透过率（右纵轴）。大气透过率数据由 IRTRANS4 程序生成，并取自 UKIRT（英国红外望远镜）网站。32 （b）和（c）风对吸收体（60°C）向环境空气（25°C）传热的影响，其中（b）为室内实验室条件，（c）为室外现场条件。堆叠柱状图给出了热损失路径的分解——辐射热损失（Qr，黄色）和对流热损失（Qv，蓝色），其数值由图中标注给出。（d）在具有理想 5 mm 厚 SSAL 的现场条件下，风对吸收体（60°C）向环境空气（25°C）传热的影响。此时热损失仅通过热传导（Qd，绿色）进行。在红外不透明绝热层存在时，辐射热损失降为零。
在找到了问题根源之后，文章提出了一个很有概括性的工程策略：光谱选择性空气锁，也就是 SSAL。这个思路的目标很明确，一方面要让材料尽可能透过太阳光，保证吸热；另一方面又要阻断中远红外热辐射，并且抑制空气流动造成的对流散热。围绕这一原则，文中设计了三种实现路线：一种是接近理想状态的介孔硅氧烷气凝胶，另外两种则是更便于推广的复合结构，分别由 PMMA 或普通钠钙玻璃加静止空气层组成。这里很重要的一点是，SSAL 被论证为一种“普适设计原则”，而不是只依赖某一种昂贵先进材料。
图2. SSAL 材料的表征结果。（a）6 mm 硅气凝胶的直接半球透过率光谱。图中同时给出了空气质量 1.5（AM 1.5）的太阳透射光谱以及 60°C 黑体的发射光谱作为参考。（b）SSAL 气凝胶的太阳加权透过率随厚度的变化关系。虚线表示 90%。左侧插图为将 6 mm 气凝胶对着天空拍摄的数码照片，右侧插图为显示气凝胶精细骨架结构的透射电子显微镜（TEM）图像。（c）SSAL 气凝胶在 8–13 μm 波长范围内的透过率随厚度的变化关系（左纵轴），并叠加显示了大气透明窗口（蓝色阴影区域，右纵轴）。（d）由 N₂ 吸附得到的孔径分布。插图为显示气凝胶介孔结构的扫描电子显微镜（SEM）图像。（e）6 mm 气凝胶、3 mm PMMA 板和 3 mm 钠钙玻璃板的太阳加权透过率（圆点，左纵轴）以及在 10.5 μm 处的红外透过率（三角，右纵轴）。（f）SSAL 各种构型的热阻对比。插图示意了 SSAL 装置的构型：气凝胶直接覆盖在太阳吸收体上（左），以及 PMMA 或玻璃板通过一层静止空气层与吸收体隔开（右）。
在此基础上，工作建立了一个完整的热质传递模型，用来系统预测不同环境变量下的产水率和 ERI。模型把风速、天空辐射冷却、环境温度和太阳通量都纳入进去，并对无覆盖、气凝胶覆盖、PMMA-空气复合层和玻璃-空气复合层几种方案进行了对比。结果显示，没有任何顶部保护的模块对环境极其脆弱，风速从 0 增加到 2 m·s⁻¹ 时，产水率会迅速跌落，ERI 也会降到很低；而采用 SSAL 后，系统在风和天空冷却共同作用下仍能维持接近实验室水平的输出。更有意思的是，模型还指出高环境温度反而可能成为一种“助力”，在特定条件下甚至可以使 ERI 超过 1。
图3. 不同环境条件下 MSD 模块性能的理论分析。（a）未覆盖吸收体（上）和采用 SSAL 绝热的吸收体（下）在 MSD 模块顶部级中的主要传热路径示意图。关键热流包括太阳输入（Qin）、传导损失（Qd）、对流损失（Qv）、辐射损失（Qr）、光谱损失（Qs）和蒸发热流（Qevap）。（b）至（f）为六级模块在四种顶部覆盖构型下的模型结果对比：无遮盖、6 mm 气凝胶、带 6 mm 空气层的 3 mm PMMA，以及带 6 mm 空气层的 3 mm 玻璃。图中柱状表示产水率（左纵轴），符号表示 ERI（右纵轴）。ERI 定义为给定条件下归一化产水率 P' 与基准值 P'lab 的比值，其中基准条件为实验室室内环境、1 kW·m⁻²、无风、25°C。（b）在 25°C 和太阳辐照通量 1 kW·m⁻² 条件下，比较室内环境中产水率和 ERI 随风速的变化。（c）在 25°C 和太阳辐照通量 1 kW·m⁻² 条件下，比较两种不同风速下室内与室外（考虑天空辐射冷却）环境中的产水率和 ERI。（d）在室内（无风）和室外（风速 2 m·s⁻¹）条件下、太阳辐照通量为 1 kW·m⁻² 时，各种热损失机制的分解。（e）室外无风条件下环境温度对产水率和 ERI 的影响。（f）室外无风条件下太阳辐照强度对产水率和 ERI 的影响。
为了验证这些理论判断，研究进一步搭建了六级向下多级蒸馏模块，在模拟日照和可控风场中进行了实验。实验结果和模型趋势高度一致：未加覆盖的系统一旦遇到较强风速，吸收器温度快速下降，产水率几乎“塌陷”；而加了气凝胶、PMMA-空气层或玻璃-空气层之后，系统的温度和产水表现都稳定得多。其中，气凝胶方案整体表现最好，但另外两种低成本复合结构也展现出相当强的环境稳健性。与此同时，实验还揭示了系统在低太阳通量下存在启动阈值，这说明真实应用中不仅要关注峰值性能，还要关注装置在早晚和弱光时段是否还能维持有效运行。
图4. MSD 模块性能的实验验证。（a）实验装置示意图以及 MSD 模块的详细截面结构。（b）在太阳辐照通量为 1 kW·m⁻² 条件下，实验测得的产水率（柱状，左纵轴）和吸收体温度（符号，右纵轴）随风速的变化关系。（c）在无风条件下，实验测得的产水率和吸收体温度随太阳辐照强度的变化关系。（b）和（c）中的数据分别对应四种模块构型：无遮盖、6 mm 气凝胶、带 6 mm 空气层的 3 mm PMMA，以及带 6 mm 空气层的 3 mm 玻璃。柱状图表示 3 次独立测量的平均值，误差棒表示标准差。叠加的散点圆和菱形分别表示每次产水率和吸收体温度测量的单次实验数据。
真正体现这篇工作应用价值的是后面的海水户外验证。研究在真实海水条件下，让一个无遮盖模块和一个加 6 mm 气凝胶的模块并行运行。结果很直接：在环境温度约 24°C 的代表性测试日里，无遮盖模块的吸收器峰值温度只有 42.8°C，而加了 SSAL 的模块能达到 60.0°C，因而整天产水更高、更稳定。七天连续测试中，SSAL 模块的日均产水量大约是无遮盖系统的两倍，在11月晴天条件下最高日产水量达到 10.88 kg·m⁻²，对应归一化产水率 3.83 kg·kWh⁻¹，ERI 达到 0.98。更进一步，在 38°C 高环境温度场景下，SSAL 模块的归一化产水率达到了 6.53 kg·kWh⁻¹，ERI 达到 1.68，这一结果直接证明了高温环境下现场表现可以反超 25°C 的实验室基准。
图5. MSD 模块的室外现场测试及实验室到实际场景性能分析。（a）并行室外实验装置照片，其中左侧为无遮盖模块，右侧为采用 6 mm 气凝胶绝热的模块。（b）、（c）为代表性测试日（2024 年 11 月 27 日）的实时环境与性能数据，其中（b）给出了采用 6 mm 气凝胶绝热的 MSD 模块吸收体温度（实线，左纵轴）与未采用 SSAL 时的吸收体温度（虚线，左纵轴），同时还显示了环境温度（点划线，左纵轴）和周围风速（阴影区域，右纵轴）；（c）给出了累计产水量（曲线，左纵轴）和入射太阳辐照通量（阴影区域，右纵轴）。（d）比较了 2024 年 11 月 24–30 日连续七天室外测试中，气凝胶绝热模块与无遮盖模块的 ERI，以及 2025 年 8 月 23 日玻璃-空气复合绝热模块与无遮盖模块的 ERI。ERI 定义为实测日归一化产水率 P′field 与相应实验室基准值 P′lab（见图4）的比值。（e）在环境温度 24°C 和 38°C 条件下，对比实验室测量与现场测试数据，对热损失及归一化产水率 P′ 进行了定量分析。堆叠柱状图（左纵轴）分别表示无天空辐射冷却影响时的各项热损失贡献：辐射损失（Qr，黄色）、对流损失（Qv，蓝色）、传导损失（Qd，绿色）和光谱损失（Qs，深蓝色）。虚线轮廓表示考虑天空辐射冷却影响时的辐射热损失。绿色斜线柱（右纵轴）表示对应的现场归一化产水率，蓝色斜线柱表示在相同风速和太阳辐照强度下实验室环境中测得的归一化产水率。（f）ERI 与实验室归一化产水率 P′lab 的基准对比图。该图将本工作与先前同时报告了实验室和现场数据的研究进行了比较。虚线表示 ERI = 1.0。
最后，文章没有停留在“性能展示”层面，而是把视角推进到了工程部署与经济性。基于实验室数据看，无遮盖系统和加 SSAL 系统的单位水价差别并不算特别大；但一旦换成真实户外数据，无遮盖系统由于 ERI 低，产水成本会明显上升，在 24°C 条件下甚至翻倍到 0.038 美元每升，而 SSAL 模块的水价则保持相对稳定。与此同时，文中还讨论了模块尺寸放大和级数增加对 ERI 的影响，指出更大的模块和更高环境温度下适度增加级数，都有助于进一步提升真实应用表现。换句话说，这项工作不仅提出了一个新材料策略，更重要的是给太阳蒸发技术建立了一套面向实际部署的评价和设计框架。
图6. MSD 模块的经济性评估与灵敏度分析。（a）、（b）分别给出了在不同运行寿命下蒸馏水单位体积成本的预测结果，其中（a）对应受控实验室条件（1 kW·m⁻²、无风、25°C），（b）对应室外测试条件（0.7 kW·m⁻²、风速 0.3 m·s⁻¹）。图（b）中的短虚线标示了无遮盖模块在第 1 年的水价。点线表示商业瓶装水的平均价格。（c）至（f）为 ERI 对设计参数和环境条件的灵敏度分析。（c）、（d）中的热图对应无遮盖的常规模块，而（e）、（f）中的热图对应采用玻璃-空气复合层作为顶部绝热的模块。（c）、（e）给出了在 25°C 室外条件下，ERI 随风速和模块尺寸变化的关系。（d）、（f）给出了在室外无风条件下，ERI 随环境温度（Tamb）和级数变化的关系。颜色标尺表示 ERI 从低值（蓝色）到高值（黄色）的变化。
结论与展望
这篇论文的核心贡献，不在于单纯刷新太阳蒸发的实验室产水纪录，而在于首次系统地把“环境稳健性”提升为太阳蒸发真实应用中的关键评价维度。研究指出，多级向下太阳蒸发系统在实验室中表现优异，但在户外常因风、天空辐射冷却、环境温度变化和太阳通量波动而出现明显性能衰减。为此，文中提出环境稳健性指数 ERI，用于定量衡量系统从实验室走向现场时的性能保持能力；同时提出光谱选择性空气锁 SSAL 这一工程策略，通过兼顾太阳光透过、红外辐射屏蔽和对流抑制，显著削弱环境热损失。实验和户外海水测试都表明，SSAL 可以把系统 ERI 从 0.55 提升到接近 1，在高环境温度下甚至实现 ERI 大于 1。整体来看，这项工作最重要的意义，是推动太阳蒸发研究从“追求实验室最高值”转向“面向真实场景的稳健设计”，这对后续淡化、废水处理以及其他太阳热利用技术都具有启发意义。
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