通过调控薄水膜和液滴簇的蒸发过程，实现极其高效的二维太阳能蒸汽生成

《Materials Today》：Engineering thin water film and cluster evaporation towards extraordinarily high 2D solar vapor generation

太阳能蒸发高效化策略及2D蒸发器设计与验证

　　本文探讨了一种新型太阳能蒸发器的设计与应用，该蒸发器通过优化界面蒸发过程并调控水的状态，实现了高效的太阳能利用。研究重点在于解决传统太阳能蒸发器中由于加热过多水分导致的热损失问题，以及打破氢键所需的大量能量限制。通过引入协同的薄水膜与团簇蒸发策略，研究人员成功提高了蒸发效率，同时保持了蒸发器在高盐浓度环境下的稳定运行。

太阳能蒸发技术（Solar Vapor Generation, SVG）作为可持续的蒸汽生成方法，因其低能耗和便捷维护而受到广泛关注。然而，其理论上的蒸发速率上限较低，仅能达到1.61 kg m?2h?1。这一限制促使科研人员不断探索新的材料与结构设计，以提升蒸发速率并增强蒸发器的耐久性。近年来，通过改进光热材料、优化水分运输机制、改善热管理以及增强抗盐性能，SVG技术取得了显著进展。然而，大多数现有蒸发器仍然面临热损失和能耗过高的问题，这在很大程度上制约了其实际应用。

为了提高蒸发效率，研究者通常采用多孔结构，使水分通过毛细作用从底部向上输送，从而在界面处实现局部蒸发。然而，这种结构也导致了水分在蒸发器内部的积聚，增加了热损失的风险。特别是当蒸发器内部的水分含量较高时，其热损失更为显著，从而降低了整体的蒸发效率。因此，调整水分含量以实现水与能量之间的最佳匹配，成为提高蒸发速率的关键。

在这一背景下，研究人员提出了一种新的策略，即通过形成薄水膜和团簇蒸发相结合的方式，提高太阳能的利用效率。具体而言，该策略基于对水分蒸发过程的深入理解。在物理层面，水分的蒸发可以分为两种形式：一种是单个分子的蒸发，另一种是团簇形式的蒸发。单个分子蒸发需要打破所有氢键，而团簇蒸发则只需打破团簇周围的部分氢键，从而降低了蒸发所需的能量。因此，有效调控水分的状态，使水分以团簇形式蒸发，是提高蒸发效率的重要途径。

为了实现这一目标，研究团队设计了一种基于铝板的二维蒸发器（F–S–Al），并利用激光雕刻技术在铝板上形成多级结构。随后，将聚吡咯（PPy）和二氧化硅（SiO?）加载到这些结构上。PPy和SiO?不仅具有良好的光热转换性能，还能在表面形成纳米级的孔隙结构，从而促进水分的团簇蒸发。此外，铝板的表面结构能够引导水分形成十微米级别的薄水膜，这种薄水膜不仅减少了水分与空气的接触面积，还通过微米和纳米尺度的结构增强了水分的蒸发效率。

实验结果表明，该蒸发器在1.0太阳光照下，实现了高达90.8%的蒸发效率，且蒸发速率达到了4.05 kg m?2h?1。这一效率远超传统蒸发器的水平，显示出其在太阳能蒸发技术中的巨大潜力。此外，该蒸发器在处理15.0 wt%的模拟海水时，依然能够保持3.57 kg m?2h?1的高蒸发速率，并且有效避免了盐分沉积，这进一步证明了其出色的抗盐性能。

在实验过程中，研究人员通过分子动力学模拟进一步验证了团簇蒸发的存在。模拟结果显示，水分在纳米孔隙中形成团簇，并在蒸发过程中表现出不同的行为特征。此外，通过对冷凝水中的锂离子（Li?）浓度变化进行分析，研究人员确认了团簇蒸发的发生。这些结果不仅为蒸发器的优化提供了理论依据，也为后续研究提供了重要的实验数据支持。

值得注意的是，该蒸发器的结构设计使其具备良好的可扩展性。通过激光雕刻技术，可以在铝板上快速、大规模地制造出所需的多级结构，这使得该蒸发器在实际应用中具有较高的可行性。此外，由于其二维结构，蒸发器在空间利用上更加高效，适用于各种太阳能蒸发应用场景，如海水淡化、废水处理等。

在应用方面，该蒸发器展现出显著的优势。首先，其高蒸发效率意味着在相同条件下，能够更快地将水分转化为蒸汽，从而提高整个系统的处理能力。其次，出色的抗盐性能使其能够在高盐浓度的环境中稳定运行，避免了盐分沉积对蒸发效率的负面影响。最后，其结构设计的简便性和可扩展性，使得该蒸发器在大规模生产和实际部署中具有较高的可行性。

从研究方法的角度来看，本文结合了实验研究与理论模拟，全面分析了蒸发器的工作原理及其性能表现。实验部分通过构建实际的蒸发器结构，测试其在不同条件下的蒸发效率和抗盐性能。理论部分则利用分子动力学模拟，揭示了水分在蒸发器内部的蒸发机制，并通过锂离子浓度的变化进一步验证了团簇蒸发的存在。这种多学科交叉的研究方法，为理解太阳能蒸发过程提供了新的视角，并为未来的技术优化奠定了基础。

在实际应用中，该蒸发器不仅可以用于海水淡化，还可以拓展到其他领域的水分处理。例如，在农业灌溉中，可以利用该蒸发器实现高效的水分回收；在工业废水处理中，能够有效去除有害物质并回收可用的水分；在能源领域，可以作为太阳能蒸馏装置的一部分，用于发电或供热。此外，该蒸发器的结构设计还可以进一步优化，以适应不同的光照条件和水分来源，从而提高其在实际环境中的适应性。

综上所述，本文提出了一种创新的太阳能蒸发器设计，通过结合薄水膜和团簇蒸发策略，显著提高了蒸发效率并增强了抗盐性能。这种设计不仅解决了传统蒸发器中存在的热损失和能耗过高的问题，还为太阳能蒸发技术的进一步发展提供了新的思路。未来的研究可以围绕如何进一步优化蒸发器的结构设计，提高其在不同环境下的稳定性与效率，以及探索其在更多实际应用场景中的潜力展开。