突破蒸發(fā)焓：界面水蒸發(fā)偏離熱力學(xué)預(yù)測(cè)的內(nèi)在機(jī)制

Volume 1 Issue 5Inorganic Materials

School of Marine Science and Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering, Hainan University, Haikou, Hainan, 570228, P. R. China

https://doi.org/10.1016/j.revmat.2025.100090

01.研究背景

界面太陽能蒸汽生成（ISSG）技術(shù)利用太陽能這一可持續(xù)再生能源，驅(qū)動(dòng)海水及其他水源的蒸發(fā)過程，并通過冷凝蒸汽獲取淡水。該技術(shù)以近乎零能耗的方式生產(chǎn)飲用水，為緩解全球淡水危機(jī)提供了極具前景的解決方案。近年來，基于水團(tuán)簇蒸發(fā)等水活化理論的高性能蒸發(fā)材料不斷涌現(xiàn)，其蒸發(fā)速率突破了傳統(tǒng)蒸發(fā)過程的熱力學(xué)極限，這種現(xiàn)象被稱為“超常蒸發(fā)”。盡管其理論機(jī)理尚存爭(zhēng)議，但越來越多證據(jù)表明，界面處的蒸發(fā)速率確實(shí)能夠超越經(jīng)典理論模型設(shè)定的上限。本文重新審視了關(guān)于蒸發(fā)焓降低理論（即超常蒸發(fā)效應(yīng)）的學(xué)術(shù)爭(zhēng)論與研究進(jìn)展，通過建立界面蒸發(fā)過程的精細(xì)化分類體系，對(duì)現(xiàn)有理論框架進(jìn)行系統(tǒng)性重構(gòu)。海南大學(xué)的Wei Huang教授著重闡釋了界面過程在超常蒸發(fā)效應(yīng)中的關(guān)鍵作用，以期推動(dòng)學(xué)界將研究焦點(diǎn)集中于蒸發(fā)界面，從而深化對(duì)ISSG系統(tǒng)中這一特殊現(xiàn)象的機(jī)理認(rèn)知。

02.圖文導(dǎo)讀

隨著光熱轉(zhuǎn)換材料的持續(xù)發(fā)展，太陽能-熱能轉(zhuǎn)換效率目前已突破70%，部分體系甚至可達(dá)85%。這一重大進(jìn)展使得光熱轉(zhuǎn)換不再成為界面蒸發(fā)速率的限制因素。在無法從周圍環(huán)境吸收額外能量的條件下，蒸發(fā)界面處的總能量輸入保持恒定，而超越理論極限的蒸發(fā)速率主要?dú)w因于蒸發(fā)焓（即汽化單位質(zhì)量水所需熱量）的降低（圖1）。該現(xiàn)象表明超常蒸發(fā)與所謂的"水活化"效應(yīng)存在關(guān)聯(lián)。然而根據(jù)傳統(tǒng)熱力學(xué)觀點(diǎn)，蒸發(fā)焓本質(zhì)上是溫度與壓力的函數(shù)（克勞修斯-克拉佩龍方程：dP/dT = ΔHvap/T(Vg-Vl)，其中ΔHvap為水的蒸發(fā)焓）。

近期研究將超常蒸發(fā)現(xiàn)象主要?dú)w因于兩大因素：蒸發(fā)過程中從環(huán)境空氣吸收的二次能量[3]，以及納米材料提供的蒸發(fā)表面積被低估[4]。一方面，三維蒸發(fā)器已被證實(shí)具有更高的環(huán)境能量捕獲效率，其蒸發(fā)界面溫度常低于環(huán)境溫度，從而能夠從周圍空氣吸收能量[5]；而更常用的二維蒸發(fā)器界面溫度通常維持在40°C左右，顯著高于環(huán)境溫度，因此無法從環(huán)境獲取能量。另一方面，基于表觀蒸發(fā)速率計(jì)算的蒸發(fā)焓可能受有效蒸發(fā)面積影響。但研究通過同步熱分析等技術(shù)直接測(cè)量表明[6-8]，汽化單位質(zhì)量水所需的熱量確實(shí)顯著降低。

特別需要指出的是，限域在納米通道中的水分子易形成異常團(tuán)簇結(jié)構(gòu)（圖2），該現(xiàn)象已通過中子散射、STEM等技術(shù)直接觀測(cè)到。文獻(xiàn)報(bào)道的幾乎所有低蒸發(fā)焓材料均為多孔結(jié)構(gòu)，尤其是水凝膠基蒸發(fā)器——其多孔基質(zhì)中吸附的水分子很可能形成類似團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。若水團(tuán)簇在階段1從蒸發(fā)界面釋放后，將團(tuán)簇解離為單個(gè)水分子所需的能量無需由蒸發(fā)界面本身提供（階段2）。因此蒸發(fā)界面處的主要能耗僅限于克服團(tuán)簇從界面分離的能量勢(shì)壘（階段1）。以下簡(jiǎn)要公式說明分離界面（階段1）的能量輸入與消耗路徑：

Ein = Ecluster + Esensible + Qloss

其中Ein代表入射太陽能，Ecluster表示界面處水團(tuán)簇分離所需潛熱，Esensible代表蒸發(fā)的顯熱，Qloss表示界面熱損失。該機(jī)制降低了蒸發(fā)界面的凈能量支出，從而導(dǎo)致蒸發(fā)焓減小（圖1）。在開放式測(cè)試系統(tǒng)中，水團(tuán)簇離開界面后（階段2）的能量變化通常不再直接影響蒸發(fā)器能耗。這意味著差示掃描量熱法（DSC）或同步熱分析等傳統(tǒng)方法主要測(cè)量團(tuán)簇脫離界面前（階段1）的相變能耗，無法檢測(cè)階段2的后續(xù)能量變化。因此，要全面理解蒸發(fā)界面的真實(shí)能耗動(dòng)態(tài)——特別是驗(yàn)證"團(tuán)簇釋放"模型及其對(duì)蒸發(fā)焓的影響——亟需開發(fā)能夠探測(cè)不同蒸發(fā)階段能量變化的先進(jìn)原位實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

Fig. 1. The scheme of low-enthalpy evaporation: In conventional evaporation, vapor leaves the bulk water as individual molecules; whereas in interfacial evaporation, it departs the interface as clusters, subsequently absorbing energy from the air to transition into individual molecules. This reduces the energy input required for the interfacial evaporation process, manifested as a decrease in the enthalpy of evaporation.

Fig. 2. Mechanism of water evaporation within the nano-confined channels.

03. 結(jié)論與展望

總體而言，在階段一，水分子以團(tuán)簇形態(tài)脫離蒸發(fā)界面，導(dǎo)致表觀蒸發(fā)焓顯著降低；而在階段二中，這些水團(tuán)簇的進(jìn)一步解離需要吸收額外能量——該過程通常未被計(jì)入界面太陽能蒸發(fā)的能量平衡體系。盡管相關(guān)理論機(jī)制尚存爭(zhēng)議，但提升界面蒸發(fā)性能的關(guān)鍵在于進(jìn)一步促進(jìn)水團(tuán)簇的形成并確保其穩(wěn)定脫離蒸發(fā)界面。現(xiàn)有研究證實(shí)，蒸發(fā)界面是實(shí)現(xiàn)水活化（形成團(tuán)簇結(jié)構(gòu)）并顯著降低蒸發(fā)焓的核心區(qū)域。未來研究需深入揭示界面處水團(tuán)簇形成與脫離的微觀動(dòng)力學(xué)過程，同步發(fā)展原位表征技術(shù)以定量解析水活化機(jī)制與界面結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)，這將為設(shè)計(jì)更高性能的蒸發(fā)界面提供理論指導(dǎo)，對(duì)推動(dòng)ISSG技術(shù)取得突破性進(jìn)展具有至關(guān)重要的意義。

04. 文章信息

引用本文

Mingxin Zhang, Weihua Song, Yajie Zhong, Wei Huang, Beyond evaporation enthalpy: Why interfacial water evaporation defies thermodynamic predictions, Review of Materials Research, Volume 1, Issue 5, 2025, 100090, ISSN 3050-9130

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05.文章摘要

Interfacial solar steam generation (ISSG) leverages solar energy, a sustainable and renewable resource, to facilitate the evaporation of seawater or other water sources, thereby enabling the collection of condensed freshwater. This approach presents a nearly zero-energy solution for the production of potable water, offering a promising alternative to mitigate the global freshwater crisis. Recent advancements have led to the development of high-performance evaporative materials, grounded in theories such as water cluster evaporation and other water activation mechanisms. These materials exhibit evaporation rates that exceed the thermodynamic limits of conventional processes, a phenomenon referred to as super-evaporation. Although there remains ongoing debate regarding the theoretical underpinnings of this phenomenon, a growing body of evidence suggests that the evaporation rate at the interface can indeed surpass the theoretical limits defined by classical models. This paper seeks to re-evaluate the ongoing debates and advancements surrounding the theory of reduced evaporation enthalpy, or the superevaporation effect, and offers a refined categorization of the interfacial evaporation process to reassess the underlying theories. We highlight the critical role of interfacial processes in the super-evaporation effect, with the aim of encouraging further research focused on the evaporation interface to deepen the understanding of this phenomenon within ISSG systems.

界面太陽能蒸汽發(fā)電（ISSG）技術(shù)利用太陽能這一可持續(xù)再生能源，驅(qū)動(dòng)海水及其他水體的蒸發(fā)過程，并通過蒸汽冷凝獲取淡水。該技術(shù)以近乎零能耗的方式生產(chǎn)飲用水，為緩解全球淡水危機(jī)提供了極具前景的解決方案。近年來，基于水團(tuán)簇蒸發(fā)等水活化理論的高性能蒸發(fā)材料不斷涌現(xiàn)，其蒸發(fā)速率突破了傳統(tǒng)蒸發(fā)過程的熱力學(xué)極限，這種現(xiàn)象被稱為“超常蒸發(fā)”。盡管其理論機(jī)理尚存爭(zhēng)議，但越來越多證據(jù)表明，氣液界面處的蒸發(fā)速率確實(shí)能夠超越經(jīng)典理論模型設(shè)定的上限。本文重新審視了關(guān)于蒸發(fā)焓降低理論（即超常蒸發(fā)效應(yīng)）的學(xué)術(shù)爭(zhēng)論與研究進(jìn)展，通過建立界面蒸發(fā)過程的精細(xì)化分類體系，對(duì)現(xiàn)有理論框架進(jìn)行系統(tǒng)性重構(gòu)。我們重點(diǎn)闡釋了界面過程在超常蒸發(fā)效應(yīng)中的關(guān)鍵作用，以推動(dòng)學(xué)界將研究焦點(diǎn)集中于蒸發(fā)界面，從而深化對(duì)ISSG系統(tǒng)中這一特殊現(xiàn)象的理論認(rèn)知。

06.期刊介紹

《中國材料研究學(xué)會(huì)會(huì)刊》（Review of Materials Research）創(chuàng)刊于2025年，由中國材料研究學(xué)會(huì)主辦，愛思唯爾（Elsevier）出版社負(fù)責(zé)全球出版與發(fā)行。作為一本國際性、跨學(xué)科、高水平的學(xué)術(shù)月刊，期刊旨在服務(wù)全球材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的前沿研究與創(chuàng)新發(fā)展，初期每年計(jì)劃發(fā)表約300篇高質(zhì)量論文。

本刊覆蓋材料科學(xué)多個(gè)重要研究方向，重點(diǎn)關(guān)注以下四大領(lǐng)域的最新研究成果與技術(shù)進(jìn)展：

最新研究報(bào)告 (Flash Report)

精要綜述 (Concise Review)

綜合調(diào)查(Comprehensive Survey)

戰(zhàn)略評(píng)述 (Strategic Commentary)

期刊實(shí)行“編委會(huì)領(lǐng)導(dǎo)、咨委會(huì)指導(dǎo)、執(zhí)委會(huì)運(yùn)行”的組織模式，建立了由多位國內(nèi)外材料領(lǐng)域權(quán)威專家組成的學(xué)術(shù)委員會(huì)體系，包括期刊編委會(huì)、國際咨詢委員會(huì)和期刊執(zhí)行委員會(huì)。

期刊編委會(huì)主任：魏炳波院士（中國科學(xué)院院士、中國材料研究學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、西北工業(yè)大學(xué)教授）

國際咨詢委員會(huì)主任：段文暉院士（中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)物理系教授）

期刊設(shè)置副主編3位，分別為：呂昭平教授（北京科技大學(xué)）、周科朝教授（中南大學(xué)）、朱敏教授（華南理工大學(xué)）

主題編輯4位，分別為：陳人杰教授（北京科技大學(xué)）、何杰教授（中國科學(xué)院）、黃陸軍教授（哈爾濱工業(yè)大學(xué)）、陳紅征教授（浙江大學(xué)）

期刊編委包括（按姓氏拼音順序）：
馮吉才教授、李潤(rùn)偉教授、李曉光教授、孟國文教授、阮瑩教授、孫寶德教授、孫大林教授、武建勞教授、武曉雷教授、楊森教授、趙乃勤教授、鄭偉濤教授等。

國際咨詢委員會(huì)成員包括（按姓氏拼音順序）：
陳立東院士、Junjun Jia教授（日本）、Jinhyeok Kim教授（韓國）、Sangwoo Kim教授（韓國）、Inhwan Lee教授（韓國）、劉昌勝院士、劉益春院士、南策文院士、聶柞仁院士、孫軍院士、田永君院士、Huaming Wang教授、張荻院士、Lianmeng Zhang教授、張平祥院士、 朱美芳院士、左良教授等。

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