摘要：近年来，太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术在水处理、资源提取和食品生产等领域展现出独特优势。水凝胶因其多孔结构、可调控的水传输性能和较低的蒸发焓，成为理想的太阳能蒸发材料。常见的垂直结构虽能实现快速水输送，却导致热损失增加；径向结构能有效抑制热传导，但水传输能

近年来，太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术在水处理、资源提取和食品生产等领域展现出独特优势。水凝胶因其多孔结构、可调控的水传输性能和较低的蒸发焓，成为理想的太阳能蒸发材料。常见的垂直结构虽能实现快速水输送，却导致热损失增加；径向结构能有效抑制热传导，但水传输能力较差。如何协同利用两种结构的优势，实现水传输与热管理的平衡，成为当前研究的挑战。

苏州大学程丝教授和齐鲁工业大学（山东省科学院）ZhangShenglong合作，成功开发出一种具有内部垂直/外部径向复合通道结构的水凝胶蒸发器，通过调控微通道与宏通道尺寸，显著提升了蒸发性能。该蒸发器在1太阳光照下实现了5.01 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率和165.13%的能源效率，进一步将通道扩大至宏观尺度后，蒸发速率更是提升至8.60 kg m⁻² h⁻¹。该研究通过实验与模拟相结合，揭示了通道结构对水传输与热损失的调控机制，为高性能太阳能蒸发器的设计提供了新思路。相关论文以“Effects of Microchannel/Macrochannel Configurations on the Evaporation Performance of Internal Vertical/External Radial Hydrogel Solar Evaporators: Experiments and Simulations Insights”为题，发表在

研究人员通过一步冷冻干燥法制备了碱处理聚丙烯腈/MXene@海藻酸钠（PMS）复合水凝胶，并成功实现了对内部垂直通道尺寸的精确控制。图1展示了PMS材料的制备流程及其微观形貌。从图中可见，PMS-A材料具有明显的内部垂直排列通道和外部径向有序结构，SEM图像进一步显示出其表面和截面均具有高度有序的微通道排列，表明通过调节铜棒尺寸可在不影响冰晶生长的情况下有效调控通道结构。

图1. a) PMS-As的制备过程示意图。 b) PMS-A的顶部数码照片。 c) PMS-A的顶部SEM图像。 d) PMS-A的截面数码照片。 e) PMS-A的顶部SEM图像。 f,g) PMS-A的侧面SEM图像。

图2系统评估了PMS-C系列蒸发器的光热性能与蒸发行为。该蒸发器具有92%的宽谱吸收率，在1太阳光照下，PMS-C-3达到最高表面温度29.9°C，且随着垂直区域扩大，温度逐渐降低。蒸发实验显示，PMS-C-3在3.5 wt% NaCl溶液中蒸发速率达5.01 kg m⁻² h⁻¹，效率高达165.13%，其高效能源于中间水比例增加和蒸发焓降低。此外，该蒸发器在高盐环境下仍保持稳定蒸发，连续运行7天未出现明显性能衰减。

图2. a) PMS的光吸收谱。 b) 纯水及不同蒸发器表面温度随时间变化。 c) 水及不同PMS样品在1太阳光照下的质量变化。 d) 不同PMS样品的蒸发速率与效率。 e) PMS-C-3中不同状态水分子示意图。 f) PMS-C-3与纯水的蒸发焓对比。 g) 不同盐浓度下PMS-C-3的蒸发性能。 h) PMS-C-3在3.5 wt% NaCl溶液中的长时间蒸发性能。 i) 7天连续运行中PMS-C-3的蒸发速率变化。

通过COMSOL模拟，图3揭示了不同结构蒸发器内部水压、流速与温度分布的差异。模拟结果表明，垂直结构显著提升水传输能力，但也增加了热损失；径向结构则具有良好的热限制能力。PMS-C系列通过结合两者优势，实现了水传输与热管理的平衡，其流体流速随垂直区域扩大而增加，与实验结果高度一致。

图3. a–e) 不同PMS蒸发器结构示意图。 f–j) 模拟水平衡状态下的水压分布。 k–o) 模拟热平衡状态下的流体流速与温度分布。

为进一步增强对流效应，研究团队将微通道扩大为宏通道，构建了管状蒸发器（PMS-T）。图4显示，随着空心区域直径增大，蒸发速率显著提升，PMS-T-3达到8.60 kg m⁻² h⁻¹，效率高达286.33%。红外热成像表明其内壁也参与蒸发，有效扩大了蒸发面积。该结构在20 wt%高盐溶液中仍保持7.98 kg m⁻² h⁻¹的高蒸发速率，并具有良好的离子拒绝能力。

图4. a) PMS-T-3的数码照片。 b) 不同管状蒸发器的表面温度变化。 c) 不同PMS-T样品的质量损失。 d) 蒸发速率与效率对比。 e) PMS-T-3在12小时内的蒸发速率变化。 f) 7天连续运行性能。 g) 不同盐浓度下的蒸发性能。 h) 重金属离子去除效果。 i) 与文献报道的蒸发器性能对比。

图5通过模拟进一步揭示了不同结构对蒸发区分布和对流效应的影响。随机结构存在“蒸发死区”，而径向结构通过有序通道减少了死区，宏通道的引入则进一步增强了热对流，提高了蒸发效率。

图5. a–c) 不同结构蒸发器表面的对流模拟。 d–f) 不同空心尺寸的PMS-T结构示意图。 g–i) 对应结构的流体流速与温度分布模拟。

在抗盐性能方面，图6表明PMS-C-3具有出色的自清洁能力，能在40分钟内溶解表面盐结晶，并在20 wt%盐水中持续运行15小时才出现结晶。其优异的抗盐性源于垂直区域的低曲折度通道和外部径向结构的分层离子传输机制。

图6. a) PMS-C-3的自清洁过程。 b,c) PMS-C-3与PMS-T-3的抗盐性能。 d) 复合蒸发器的水传输与抗盐机制示意图。 e) 管状蒸发器的水传输、抗盐与热对流机制示意图。 f) 与以往报道蒸发器的抗盐性能对比。

该研究成功制备出具有可调垂直通道的复合结构水凝胶蒸发器，系统揭示了微/宏通道尺寸对蒸发性能的调控机制。不仅实现了高达8.60 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率和286.33%的能源效率，还展现出良好的抗盐性和长期稳定性。该工作为未来高性能太阳能海水淡化装置的结构设计提供了重要理论依据和技术路径，推动SDIE技术向实际应用迈出关键一步。

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来源：传奇科学圈