苏州大学
研究背景：
太阳能界面蒸发技术通过将太阳能转化为热能并将其局域化于蒸发界面，实现水分的高效蒸发，在海水淡化及高盐废水处理领域展现出广阔的应用前景。然而，在持续蒸发过程中，盐结晶会覆盖蒸发界面，最终导致蒸发效率下降及长期运行稳定性受损。针对太阳能界面蒸发过程中的盐积累问题，研究人员提出了盐离子回扩散、表面润湿性调控及局部定向结晶等多种抗盐策略。其中，锥形蒸发器可利用宏观几何结构形成盐浓度梯度，引导盐分向特定区域迁移并实现局部结晶，从而缓解蒸发界面的盐沉积问题。然而，现有锥形蒸发器的结构设计主要集中于宏观形貌调控，其内部水分输运通道往往缺乏精细化、有序化设计，难以同时兼顾高效水分补给、热量局域化及盐离子迁移调控。
近日，苏州大学程丝教授、刘金鑫副教授、许静娴副教授团队联合南方科技大学林蒙副教授团队合作报道了一种外部径向与内部锥形通道相结合的三维水凝胶蒸发器，通过构筑具有梯度特征的有序复合通道，实现对水、热、盐传输过程的协同调控。其中，外部径向层状结构有助于抑制纵向热量耗散，内部正向锥形通道则通过渐变层间距形成毛细压力梯度，促进水分定向输运，通过盐离子的扩散与对流行为，引导盐分在蒸发器边缘优先结晶。在一个太阳光照射下，外部径向/内部锥形阵列复合蒸发器在3.5 wt% NaCl溶液中实现72小时内完全没有结晶；而在10-20 wt% NaCl溶液中，结晶则被引导至蒸发器边缘。为实现高效、稳定且耐盐的太阳能海水淡化提供了新的结构设计思路。相关论文以“Architected radial/tapered combined evaporators for high-efficiency solar desalination: Unraveling synergistic management of water, heat, and salt”为题，发表在Desalination上。苏州大学纺织与服装工程学院的硕士研究生谢权沛（现为东华大学博士生）和南方科技大学的博士生朱蓉为共同第一作者。
01结构构筑：外部径向与内部锥形阵列结构如何整合？
研究团队以聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）和 MXene 为原料，采用定向冷冻铸造与化学交联相结合的方法，成功构筑了具有外部径向/内部锥形复合通道结构的三维水凝胶蒸发器（PAM-H）。得益于双向温度梯度对冰晶生长行为的调控，所得材料形成了外部径向排列、内部锥形渐变的独特复合通道结构。微观形貌表征结果表明，PAM-H内部具有高度有序的层状孔道，其中锥形区域的层间距沿底部至顶部方向由约 64.1 μm 逐渐减小至 11.9 μm，呈现明显的梯度分布特征。这种渐变通道结构有利于建立沿水分输运方向变化的毛细压力分布，增强毛细驱动力，促进水分向蒸发界面的持续补给（图1）。
图1 a PAM-H水凝胶制备过程示意图。b PAM-A气凝胶纵截面数码照片。cg PAM-A纵截面的扫描电镜图像。h 未涂覆PDMS的铜模。i 涂覆PDMS的铜模。j 使用涂覆PDMS的铜模制备的气凝胶纵截面数码照片。
02光热转换与热管理：
为进一步揭示内部通道取向对热管理行为的影响，研究团队构建了正向锥形复合结构（PAM-H-3）、倒置锥形复合结构（RPAM-H-3）及单一径向结构的对比体系，为阐明复合通道结构的协同作用机制提供了实验依据。实验和温度场模拟显示，热局域化能力总体呈现“径向结构 > PAM-H-3 > RPAM-H-3”的趋势；而后续蒸发测试中，PAM-H-3 的蒸发速率高于另外两种结构。这说明蒸发器设计不能只追求某一项指标的极值：径向通道主要负责降低热损失，正向锥形通道则改善供水，二者互补，使复合结构在热量保持与液体输运之间取得平衡（图2）。
图2 a PAM–H–3的太阳吸收光谱。b PAM–H–3、RPAM-H-3和径向蒸发器在标准太阳光照下的表面温度变化。c PAM–H–3、RPAM-H-3和径向蒸发器的热导率。d 标准太阳光照下径向蒸发器、PAM–H–3和RPAM-H-3蒸发器的红外图像。e-g 径向蒸发器、PAM–H–3和RPAM-H-3蒸发器的示意图。h-j 径向蒸发器、PAM–H–3和RPAM-H-3蒸发器的温度分布模拟。
03蒸发性能：
在 1 sun 光照下，PAM-H-3 的纯水蒸发速率达到 2.66 kg·m⁻²·h⁻¹，蒸发效率为 90.3%。在不同盐度的 NaCl 溶液中，PAM-H-3 的蒸发速率均高于测试的倒置锥形复合结构与单一径向结构；其在3.5、10、15 和 20 wt% NaCl 溶液中的蒸发速率分别为 2.62、2.42、2.38 和 2.12 kg m-2h-1。在为期 7 天、每天光照 8 h 的循环测试中，PAM-H-3 在 3.5 wt% 和 20 wt% NaCl 溶液中的平均蒸发速率分别达到 2.58 和 2.04 m-2h-1（图3）。
图3 a PAM–H–3中水的状态示意图。b PAM–H–3中吸收的水的拉曼光谱。c 纯水和PAM–H–3的DSC曲线。d 纯水和PAM–H–3蒸发器在1个太阳光照强度下的质量损失。e PAM–H–3蒸发器在不同光照强度下的质量变化。f PAM–H–3、RPAM-H-3和径向蒸发器在不同盐度盐水中于1个太阳光照强度下的蒸发速率。g PAM–H–3蒸发器在3.5 wt% NaCl溶液中于1个太阳光照强度下，每天照射8小时，连续7天的长期蒸发性能。h PAM–H–3蒸发器在20 wt% NaCl溶液中于1个太阳光照强度下，每天照射8小时，连续7天的蒸发速率。 i 在 20 wt% NaCl 溶液中，在一个太阳光照条件下，具有不同通道结构的蒸发器进行性能比较。
04模拟解析：水、热、盐如何在复合通道中协同？
为揭示复合通道结构对水分输运及盐离子迁移的调控机制，研究团队通过COMSOL数值模拟，对比分析了单一径向结构（Radial）、正向锥形复合结构（PAM-H-3）及倒置锥形复合结构（RPAM-H-3）的水浓度、水分输运速度和盐浓度分布（图4）。结果表明，PAM-H-3 内部渐变的锥形通道能够形成有利的毛细压力梯度，促进水分向蒸发界面持续输运，表现出更高的水分输运效率。相比之下，RPAM-H-3 和Radial 结构的水分补给能力相对较弱。盐浓度模拟进一步表明，单一径向结构由于供水不足，容易造成蒸发界面盐分富集；而 PAM-H-3 通过持续水分补给以及盐离子的扩散与对流，有利于引导盐分向蒸发器边缘迁移，降低表面积盐风险。结合实验与模拟结果可知，内部正向锥形通道促进水分输运与盐分迁移，外围径向层状结构有效抑制纵向热损失，二者协同实现水、热、盐的高效调控，为蒸发器的长期稳定运行提供了保障。
图 4 径向蒸发器、PAM–H–3 蒸发器和 RPAM-H-3 蒸发器的示意图a-c。径向蒸发器、PAM–H–3 蒸发器和 RPAM-H-3 蒸发器的水浓度 d-f、水输送速度 g-l 和盐度分布 j-i 的模拟结果。
05盐管理：低盐溶液不结晶，高盐溶液中边缘析盐
PAM-H-3在 3.5 wt% NaCl 溶液中连续运行 72 h，蒸发器表面未见明显盐结晶，平均蒸发速率达到 2.62 kg m-2h-1；在 10–20 wt% 高盐度条件下，盐分则优先在蒸发器边缘结晶，有效减少主要蒸发界面的盐沉积。相比之下，单一径向蒸发器在 20 wt% NaCl 中运行约 12 h 后便出现明显积盐，这得益于复合通道对水分输运与盐离子迁移的协同调控。该研究实现了从低盐条件下抑制表面结晶到高盐条件下边缘定向析盐的盐管理策略，为高盐度卤水的稳定太阳能淡化及盐回收提供了新的思路。
图 5. a-d PAM–H–3 蒸发器在 3.5–20 wt% NaCl 溶液中盐结晶分布的数码照片。e-h RPAM-H-3 蒸发器在 3.5–20 wt% NaCl 溶液中盐结晶分布的数码照片。i 径向蒸发器在 20 wt% NaCl 溶液中表面盐析的数码照片。j PAM–H–3 在不同盐度条件下耐盐性测试持续时间与近期文献报道的比较。k-m 径向、PAM–H–3 和 RPAM-H-3 蒸发器中离子传输机制的示意图。
总之，本研究通过构筑外部径向/内部正向锥形复合通道结构，实现了水分输运、热量局域化与盐离子迁移的协同调控。其中，内部锥形通道强化毛细供水并促进盐分向边缘迁移，外部径向层状结构有效抑制纵向热损失，使蒸发器在保持高效蒸发的同时，实现低盐条件下抑制表面结晶与高盐条件下边缘定向析盐。该研究将太阳能蒸发器的结构设计由宏观形貌调控拓展至内部有序通道的协同构筑，为高盐度环境下高效、稳定的太阳能海水淡化提供了新的设计思路。
论文信息：
Architected radial/tapered combined evaporators for high-efficiency solar desalination: Unraveling synergistic management of water, heat, and salt
Quanpei Xie, Rong Zhu, Yong Wen, Meng Lin, Jiewei Tan, Jingxian Xu, Shuhan Yang, Jinxin Liu, Si Cheng
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.desal.2026.120959