CEJ|成都理工大學(xué)李小可課題組：受蓮蓬啟發(fā)的水凝膠蒸發(fā)器通過精確排列的潤濕域激活水，實現(xiàn)低焓蒸發(fā)

成果簡介

近日，成都理工大學(xué)李小可課題組在《Chemical Engineering Journal》 (IF= 13.2，JCR一區(qū)，中科院一區(qū)TOP) 發(fā)表了題為“Activating water via precisely patterned wettability domains for low-enthalpy evaporation with a lotus-seed-pod inspired hydrogel” 的研究論文

針對太陽能界面蒸發(fā)（SIE）中水汽化潛熱過高及高鹽度下鹽結(jié)晶嚴(yán)重的雙重挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊受自然界蓮蓬“疏水表面鑲嵌親水孔隙”獨特構(gòu)型的啟發(fā)，提出了一種基于仿生異質(zhì)潤濕性界面的熱力學(xué)調(diào)控策略 。該工作制備了具有分級蜂窩狀框架的仿生水凝膠蒸發(fā)器（PLH@OTS），其核心創(chuàng)新在于利用仿蓮蓬結(jié)構(gòu)的“疏水表面-親水孔道”空間排布，實現(xiàn)了對界面水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)的主動重構(gòu) 。這種精準(zhǔn)的界面設(shè)計成功富集了弱鍵合的“中間態(tài)水”，將水蒸發(fā)焓顯著降低至 1793 J·g-1（降幅達(dá) 26.6%）。得益于這一低能耗蒸發(fā)路徑，該仿生蒸發(fā)器在 20 wt.% 高濃度鹽水中實現(xiàn)了 2.82 kg·m-2·h-1 的卓越蒸發(fā)速率 。此外，結(jié)合分子動力學(xué)（MD）模擬與有限元分析(COMSOL Multiphysics)，研究揭示了該結(jié)構(gòu)不僅降低了水分子的逃逸能壘，還誘導(dǎo)了熱-溶質(zhì)協(xié)同的馬蘭戈尼對流，從而在連續(xù) 240 小時的極限運行中實現(xiàn)了“零鹽結(jié)晶” 。該工作不僅證明了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計在降低相變能耗方面的巨大潛力，也為高鹽廢水處理及可持續(xù)海水淡化提供了高效的零液體排放解決方案 。

研究背景

全球水危機(jī)與綠色解決方案 隨著全球淡水資源的日益匱乏，太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)（SDIE）技術(shù)憑借其清潔、零碳的優(yōu)勢，已成為解決海水淡化與廢水處理問題的關(guān)鍵路徑 。盡管現(xiàn)有的光熱系統(tǒng)通過界面加熱規(guī)避了體相水的熱損耗，但 SDIE 技術(shù)的進(jìn)一步突破仍受制于一個根本性的物理熱力學(xué)約束——水分子間極強(qiáng)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致的高汽化焓 。這意味著，要驅(qū)動液態(tài)水發(fā)生相變，必須克服巨大的能量壁壘，這直接鎖死了蒸發(fā)速率的上限 。

目前主流的界面調(diào)控策略（如表面潤濕性改性或分級結(jié)構(gòu)設(shè)計）雖然在一定程度上緩解了鹽結(jié)晶問題，但往往依賴隨機(jī)的表面修飾或側(cè)重于宏觀的水/氣傳輸通道優(yōu)化 。這些方法本質(zhì)上更多是針對“積鹽”癥狀的被動防御，缺乏對界面水分子微觀狀態(tài)的主動調(diào)控能力，難以從根源上重塑水相變的能量格局 。

為了突破這一熱力學(xué)桎梏，賦予蒸發(fā)界面以“主動活化”水分子的能力成為關(guān)鍵。受自然界蓮蓬“疏水表面鑲嵌親水孔隙”獨特構(gòu)型的啟發(fā)，本研究提出了一種精準(zhǔn)的仿生界面設(shè)計策略 。利用聚乙烯醇/蓮藕淀粉雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠與定域疏水修飾，構(gòu)建了具有精確圖案化的“疏水域-親水孔”異質(zhì)界面 。該結(jié)構(gòu)通過空間限域與潤濕性差異的協(xié)同作用，主動重構(gòu)了界面水分子的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，富集了弱鍵合的“中間態(tài)水”，從而大幅降低蒸發(fā)焓（降幅達(dá) 26.6%），并利用誘導(dǎo)的馬蘭戈尼對流實現(xiàn)高效、抗鹽的太陽能海水淡化

圖文導(dǎo)讀

圖1. 蓮莢啟發(fā)設(shè)計概念示意圖，展示了具有疏水表面和親水孔隙的仿生蒸發(fā)器如何通過協(xié)同效應(yīng)實現(xiàn)高效耐鹽的太陽能蒸發(fā)。

圖2. a) 多尺度改性水凝膠基蒸發(fā)器的制備流程及其對應(yīng)反應(yīng)機(jī)理；b) PLH的掃描電子顯微鏡圖像；c) 其高倍放大視圖；d) 疏水表面（右）與親水內(nèi)孔（左）的靜態(tài)水接觸角；e) PVA、LRS、PLH及PLH@OTS的傅里葉變換紅外光譜； PLH@OTS的XPS結(jié)果：f) 概覽掃描（插圖為高分辨率Si 2p譜）和g) 高分辨率O 1s譜；h) PLH@OTS與PVA水凝膠的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)。

圖3. a) 水凝膠網(wǎng)絡(luò)中水分子狀態(tài)示意圖；b) 蒸發(fā)器表面疏水區(qū)c) 親水區(qū)O-H伸縮振動帶拉曼光譜分析擬合曲線；d) 純水與PLH@OTS的差示掃描量熱法（DSC）熱譜圖； e) 基于暗蒸發(fā)實驗推導(dǎo)的等效蒸發(fā)焓比較示意圖；f) 不同水凝膠樣品飽和含水量的對比。

圖4. a) 平面蒸發(fā)器能量損耗示意圖與仿生結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器能量回收示意圖；b) PLH@OTS的紫外-可見-近紅外吸收光譜與太陽輻射光譜；c) PLH-0、PLH-3及PLH@OTS-3蒸發(fā)器表面的紅外熱成像圖； 三種蒸發(fā)器在d)純水和e)20 wt.% NaCl鹽水中的蒸發(fā)速率與效率對比；f)溫度梯度與鹽度梯度驅(qū)動的協(xié)同馬蘭戈尼對流防鹽機(jī)制示意圖；g)不同孔數(shù)PLH@OTS蒸發(fā)器在20 wt.%鹽水中的蒸發(fā)速率。

圖5. a) PLH@OTS-0、PLH@OTS-1和PLH@OTS-3在蒸發(fā)器-空氣界面隨時間演變的熱對流COMSOL Multiphysics仿真； b) 分子動力學(xué)（MD）模擬快照展示異質(zhì)結(jié)構(gòu)表面上的水蒸發(fā)過程，包括初始狀態(tài)（0 ns）、蒸發(fā)狀態(tài)（25 ns）和終態(tài)（50 ns）。原子顏色方案：氧（紅）、氫（白）、碳（青）、硅（黃）。水分子以集體區(qū)域表示；c) 三種模型（親水性、疏水性及異質(zhì)結(jié)構(gòu)）在MD模擬中隨時間演變的蒸發(fā)水分子數(shù)與氫鍵數(shù)變化；d) 三種模型中界面水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)排列的快照。

圖6. a) PLH@OTS-5在20 wt.%鹽水中的循環(huán)穩(wěn)定性測試；b) 三種不同鹽度模擬海水脫鹽前后總?cè)芙夤腆w（TDS）的對比；c) 海水脫鹽前后主要離子濃度的變化； d) 戶外太陽能蒸發(fā)與淡水收集系統(tǒng)的示意圖及 e) 實景照片；f) 環(huán)境濕度、太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度隨時間變化曲線，以及 g) PLH@OTS-5 與 PLH-0 淡水收集量在每日 8:00 至 18:00 時段的變化；h) 表面工程與分級結(jié)構(gòu)工程蒸發(fā)器效率對比。

作者簡介

第一作者：

陳潛，成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院2023級碩士研究生，累計發(fā)表SCI論文2篇。

通訊作者：

李小可，成都理工大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，西安交通大學(xué)博士后，主要從事太陽能光熱轉(zhuǎn)換與太陽能熱利用技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的研究，截止目前共發(fā)表SCI論文及中文核心期刊論文70余篇，總他引次數(shù)超過2000次，H指數(shù)為15，并有多篇論文入選ESI熱點論文和高被引論文，連續(xù)四年入選全球前2%頂尖科學(xué)家(2022，2023，2024，2025)。郵箱：xiaokeli319@126.com

周英棠，浙江海洋大學(xué)教授/博士生導(dǎo)師。研究方向為高通量多元檢測技術(shù)，光熱材料在腫瘤治療，海水淡化及水處理的研究。近三年以通訊作者在Prog Mater Sci., Nat.Commun., Adv. Mater., Angew Chem, Adv. Energy Mater., Coordin. Chem. Rev., Adv.Functional Mater., Nano Energy, ACS Nano, Applied Cata. B. Env.等高水平期刊發(fā)表論文100余篇。中國自然資源部海洋環(huán)境試點城市項目委員會成員，中國醫(yī)療器械學(xué)會浙江分會青委會副秘書長。郵箱：zhouyingtang@zjou.edu.cn

https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.172829