2026年5月7日，国际期刊《Nature Communications》在线发表了东北大学/中国科学院题为“Ultrahigh efficiency solar evaporation through orchestrated multiphase flow”的研究性论文。本文报道了一个全局性的“TPPJ”的圆柱体“混合神器”，该系统协同调控多相流动动力学与传热过程，实现了能量收集、供水、蒸汽逸散与盐分回流的统一。这一集成设计在开放环境、一倍太阳辐照下实现了11.2 kg m⁻² h⁻¹的超高蒸发速率。该系统在约15 wt.%的盐水中稳定运行超过100小时而无盐结晶现象。户外自然光照测试显示，每日淡水产量达到39.8 L m⁻²。Nature Communications是Nature Portfolio旗下的多学科开放获取期刊，涵盖生物、化学、物理、材料、环境等广泛领域。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72908-5
识别上方二维码访问论文原文
太阳能驱动界面蒸发是缓解全球水资源短缺的一种可持续解决方案。尽管前景广阔，但开发高能效且耐盐的系统仍是一项严峻挑战。为此，本研究构建了一个耦合补水、蒸汽耗散、盐分排除与热传递的多相流动力学框架，进而设计出一种集成蒸发系统。该系统采用双峰多孔聚乙烯醇-聚乙烯吡咯烷酮水凝胶实现同步供水与盐分回流，采用穿孔的灯芯草茎促进蒸汽产生与逸出，并利用宽带吸收的平带λ-Ti₃O₅粉末实现太阳光广谱吸收。在一倍太阳辐照下，该系统实现了11.2 kg m⁻² h⁻¹的优异蒸发速率（按顶部受光投影面积归一化），表观效率达278.3%（定义为从入射太阳辐照和环境热能获取的总能量与太阳输入能量之比）。值得注意的是，该系统在约15 wt.%的盐水中稳定运行，无盐结晶现象。户外自然日光测试表明，每日淡水产量达39.8 L m⁻²（按顶部受光投影面积归一化）。本工作通过协同解决SDIE系统中的能量、水、蒸汽和盐分管理问题，为可持续太阳能海水淡化提供了一种稳健且可规模化的方法。
淡水短缺是一项严峻的全球性挑战，对生态系统和人类生存构成严重威胁。应对这一危机需要创新且可持续的技术解决方案，其中海水淡化是最具可行性的长期战略。尽管反渗透和多级闪蒸等成熟技术已广泛部署，但太阳能驱动界面蒸发因其环境友好性和经济可行性而获得大量研究关注，尤其适用于偏远和离网地区的分散式应用。近年来，SDIE系统在高效光热材料实现宽带太阳光吸收、优化结构设计以最小化热耗散，以及通过界面水限域降低汽化焓等方面已接近理论太阳能-蒸汽效率极限。然而，两个关键制约因素阻碍了实际应用：较低的太阳光通量密度（<1 kW m⁻²）和热力学驱动的盐结晶。
从能量传递与质量输运的角度看，理想的SDIE系统依赖于四个基本过程的协同集成：（i）超越太阳光输入的能量收集增强，（ii）持续的界面水供应，（iii）畅通的蒸汽扩散，以及（iv）可持续的盐分排除。为实现这一目标，需系统解决四个关键问题。首先，抬升结构通过增加表面积和优化热梯度增强环境能量捕获，但此类设计同时会削弱毛细水输送并加剧蒸发界面的盐结晶。因此，必须在能量收集效率与水/盐输运之间进行审慎权衡。其次，采用分级多孔基质以维持持续的水补充和盐分再循环。其中，大孔支持高效流体输运和盐循环，而微孔则促进毛细驱动的水流动。尽管具有这些优点，孔隙结构的精确调控仍然是一个未解决的挑战，限制了系统的优化潜力。第三，互连的孔隙结构对于实现蒸汽从内部孔隙向表面的高效迁移至关重要。然而，停滞的“死区”的存在凸显了设计蒸汽耗散路径的迫切需求]。解决该问题对于提升整体蒸汽扩散效率具有关键意义。第四，垂直通道构型为可持续盐分回流提供了一种策略，旨在缓解持续的结晶挑战。然而，在抬升结构中盐扩散与供水之间的耦合动力学仍缺乏定量描述，构成了系统设计中的一个关键知识空白。总之，优化这四个方面需要在太阳能蒸发器内精确调控多相输运以及水-蒸汽-盐-热耦合动力学。
基于水凝胶的蒸发器构成了一个多功能的SDIE平台，具有自浮性、优异的机械柔韧性和可调亲水性等独特优势。重要的是，水凝胶可调控的三维多孔网络提供了显著优点，包括：（i）通过网络拓扑结构的分子级工程调控水态，以改变界面水组成；（ii）通过可控的孔隙结构增强流体输运，促进界面水供应和盐分回流；（iii）与太阳能吸收体、天然骨架和蒸汽抽取烟囱进行杂化系统集成，以优化热传递和蒸汽耗散。尽管具有这些良好特性，当前策略仍 predominantly 基于经验，缺乏对水-蒸汽-盐-热耦合输运动力学的深入理解。这一知识空白极大地阻碍了材料和结构的理性优化，因此需要基于物理学的设计框架来系统推进SDIE系统的发展
设计了一种圆柱形TPPJ集成蒸发器，融合三项功能：双峰多孔PVA/PVP水凝胶通过小孔毛细供水、大孔排盐；超疏水（接触角162.8°）灯心草茎嵌入其中，形成低阻力蒸汽逃逸通道；λ-Ti₃O₅纳米材料实现宽带光吸收，顶部倒圆锥形凹槽强化光热捕获。
高长径比圆柱体用于环境热能吸收（图1左图）；水凝胶双峰孔道（小孔毛细供水，大孔盐分回流）（图1中间图）；右侧JE茎诱导烟囱效应以促进蒸汽逸散（图1右图）。
图1 | λ-Ti₃O₅/PVA/PVP/JE（TPPJ）蒸发器的概念架构。a高长径比TPPJ蒸发器，由λ-Ti₃O₅粉末、PVA/PVP水凝胶和穿孔JE茎构成，能够实现超越入射太阳光输入的环境能量收集。b通过定向冷冻过程中的可控相分离形成的垂直排列双峰孔道，促进水传输与盐分回流（虚线框内突出显示）。c由穿孔JE茎衍生的内置式内部烟囱状通道，增强界面蒸发并促进蒸汽逸散。
SEM表明，PVP加入诱导相分离，形成双峰孔（大孔径≈72 μm）。拉曼光谱与DSC证实，PPH-5水凝胶富含中间水（IW），使界面水蒸发焓从2475 J/g降至1521 J/g。
图2 | PPH样品的表征。a–cPPH-0和PPH-5的横截面SEM图像。dPPH-0和PPH-5的孔径分布。图中百分比为通过压汞法测定的开孔峰值孔体积分数（按总开孔体积归一化）。e, fPPH-0和PPH-5的拉曼光谱，分别对PVA的C–H伸缩振动区以及自由水和中间水的O–H伸缩振动区进行曲线拟合。gDSC信号及拟合曲线，显示完全溶胀的PPH-0和PPH-5中冻结的自由水与中间水的熔融行为。h体相水、水合PPH-0和水合PPH-5的热分析曲线。DSC信号的幅值与测量过程中的热流成正比。i纯λ-Ti₃O₅、TPPH-B0（10.71 wt.% λ-Ti₃O₅@PPH-0）和TPPH-B5（10.71 wt.% λ-Ti₃O₅@PPH-5）的光吸收光谱。背景为随频率变化的太阳光谱（AM 1.5G）。
XCT和SEM表明，JE内部为网状结构且高度疏水（接触角162.8°）。遇水后形成“核-壳”润湿构型（外层润湿，内芯干燥）。该干燥内芯作为低阻力蒸汽逃逸通道，验证了“蒸汽传输通道”的创新性。
图3 | 原始JE的形态特征与水侵入行为。aJE茎的数码照片。b, cJE节段的横截面和纵截面SEM图像。d, e水侵入条件下JE节段的重建XCT图像。fJE节段内水侵入的局部放大图。d–f图右侧的色条代表水摄取量的大小。
TPPJ-5（含5根JE茎）的蒸发率达11.21 kg·m⁻²·h⁻¹，表观效率高达278.3%，表明其吸收了远超太阳能输入的环境热（超182%）。纹影成像与模拟图直观呈现定向向上的蒸汽射流（烟囱效应），从而验证了光热协同架构的显著优势及仿生排汽通道的有效性。
图4 | 具有倒锥形空腔（0.9 cm直径 × 5 cm深度）的高长径比TPPJ蒸发器（1.4 cm直径 × 10 cm暴露高度）的蒸发性能。a一倍太阳辐照下水的质量随时间变化（插图：带有穿孔JE节段构型的蒸发器俯视图）。同时记录了暗态条件下的数据以凸显环境能量的贡献。b蒸发速率和表观效率（η）随穿孔JE节段数量的变化。η定义为从入射太阳辐照与环境热收集获得的总能量与太阳输入能量之比。误差棒表示平均蒸发速率的标准差（n = 3个重复样）。c优化后的TPPJ-5蒸发器在模拟15.3 wt.%盐水、一倍太阳辐照下的蒸发速率随时间变化（插图：一倍太阳光照100小时前后的照片，显示无盐沉淀）。d在三倍太阳辐照下采集1小时的纹影图像，显示TPPJ-1和TPPJ-5中的定向蒸汽流。eTPPJ-1蒸汽通量流线的模拟空间分布。f顶部蒸汽耗散通道的近距离视图。g底部涡流死区的近距离视图。注：所有报告的蒸发速率均已按顶部受光投影面积归一化。
大型户外装置在自然光下日产水39.8 L·m⁻²，冷凝水盐度远低于WHO标准。这验证了系统的规模化潜力与实际脱盐应用价值，实现了从实验室到应用的跨越。
图5 | 阵列型TPPJ-5蒸发器的户外蒸发性能。a太阳能海水淡化装置的概念设计。b太阳光通量、集水速率及淡水产量随日间时段的变化。c净化前后离子浓度对比。d现有3D蒸发器的户外日淡水产量与太阳光通量的关系：基于水凝胶的蒸发器比较。
本文报道了一个全局性的TPPJ蒸发系统，该系统协同调控多相流动动力学与传热过程，实现了能量收集、供水、蒸汽逸散与盐分回流的统一。这一集成设计在开放环境、一倍太阳辐照下实现了11.2 kg m⁻² h⁻¹的超高蒸发速率，并在自然阳光下实现了39.8 kg m⁻²的户外日淡水产量——二者均按顶部受光投影面积归一化——同时保持长期运行稳定性。该优异性能源于以下组件的协同集成：用于快速供水与盐分回流的双峰多孔PVA/PVP水凝胶基质、用于高效蒸汽产生与释放的仿生穿孔JE通道、用于优化温度梯度的倒锥形空腔几何结构，以及将能量收集拓展至太阳辐照之外的高长径比设计。这一协同策略克服了水-汽-盐-热耦合的根本性挑战，为实用型太阳能海水淡化提供了一条可规模化的发展路径。
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
识别上方二维码访问论文原文
壳聚糖丨纤维素丨MOF材料丨石墨烯丨碳纳米管丨MXenes丨硫化钼丨催化材料丨蒸发材料丨吸附材料丨电极材料丨除磷材料丨产氢材料
2025年9月，国际TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的综述性论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述多功能和可持续壳聚糖基界面蒸发材料在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本文总结了壳聚糖基太阳能界面蒸发器（CS-SIE）四种类型（水凝胶、气凝胶、海绵和膜）、五种改性材料和在水污染控制中应用。最后，总结了CS-SIEs在际应用中仍面临挑战。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用，最新中科院分区：8.50/二区TOP期刊。
识别上方二维码查看全文
声明： 1 、环境与能源功能材料公众号分享国际生物质（壳聚糖、纤维素、木质素、海藻酸等）功能材料、太阳能蒸发材料、新型吸附材料、碳基（石墨烯、碳纳米管、碳量子点、生物炭、富勒烯等）材料、 MOFs/HOFs/COFs 材料、光催化材料、 Fenton 材料、产氢材料等相关前沿学术成果，以及其它相关数据处理方法、论文写作和论文投稿等信息，无商业用途。2、本公众号尊重原创和知识产权人的合法权利。如涉及侵权，请立刻联系公众号后台或发送邮件，我们将及时修改或删除。3 、部分图片和资源来源网络或转摘其它公众号！凡注明 " 来源： xxx （非本公众号） " 的作品，均转载自其它媒体，转载目的在于传递更多信息，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责，且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。 4 、外文文献翻译目的在于传递更多国际相关领域信息。外文文献由课题组研究生翻译，因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大家批评指正。 5 、欢迎环境与能源材料相关研究成果提供稿件，环境与能源功能材料公众号将会及时推送。联系邮箱：EEmaterials@163.com ； 联系微信号： LeoChuk 。
热门跟贴