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针对界面太阳能驱动蒸发（ISE）中传统蒸发器平衡高效流体传输与有效热定位的难题，研究人员开展流体二极管膜（FDMs）设计研究。制备的 FDMs 实现最高 3.82 kg?m?2?h?1 蒸发率，还可用于 hydrovoltaic 发电，为相关领域提供设计框架。
在全球水资源短缺与能源需求激增的双重挑战下，界面太阳能驱动蒸发（Interfacial Solar-Driven Evaporation, ISE）技术因其高效的太阳能转换效率和在脱盐等领域的变革性潜力，成为研究热点。然而，传统蒸发器中多孔结构难以平衡高效的流体传输与有效的热定位 —— 高孔隙率虽利于水传输，却会导致热量散失，而致密结构虽能保留热量，却限制了水的渗透，这一矛盾成为制约其发展的关键瓶颈。为突破这一困境，来自四川大学、德克萨斯大学奥斯汀分校等机构的研究人员，聚焦于单层膜结构的创新设计，开展了流体二极管膜（Fluidic Diode Membranes, FDMs）的研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员采用相分离结合模板组装（Phase-Separation Combined with Template Assembly, PCTA）策略，制备出具有独特结构的 FDMs。该膜一侧为规则排列的大孔（macropores），另一侧为致密的纳米孔（nanopores），内部形成从大孔到纳米孔的梯度孔结构。通过分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟等技术，验证了这种非对称结构可通过 “棘轮效应” 实现类似二极管的定向水传输，同时将热量局限在纳米孔一侧，有效解决了传统膜的性能瓶颈。
研究结果
1. FDMs 的制备与表征
通过 PCTA 策略，研究人员成功制备了两种 FDMs——FDM-1（指状梯度孔）和 FDM-2（海绵状梯度孔）。扫描电子显微镜（SEM）和微计算机断层扫描（micro-CT）显示，大孔直径为 20 μm，深度 15 μm，大孔侧（A 侧）存在次级孔（1–2 μm），纳米孔侧（D 侧）结构致密。优化实验表明，20 μm 大孔尺寸在结构均匀性和孔隙率梯度间取得最佳平衡，且膜具有良好的柔韧性和机械性能。
2. 二极管状水传输行为
FDMs 表现出显著的方向选择性水传输特性：当水从大孔侧（A→D）传输时，水通量约为反向（D→A）的两倍，突破压力显著降低。接触角测量显示，A 侧动态接触角迅速降至 0°，而 D 侧接触角约 90°，证实了两侧润湿性的差异。抗重力水传输实验和 micro-CT 成像进一步表明，水仅能从 A 侧单向渗透至 D 侧，数值模拟显示非对称结构使水渗透速度提升。这种定向传输源于梯度孔产生的拉普拉斯压力差异，大孔降低水传输阻力，纳米孔形成毛细驱动和热定位。
3. ISE 性能
在 1 太阳光照下，FDMs-P-AD（A 侧供水，D 侧作为光吸收面）表现出优异性能。FDM-2-P-AD 蒸发率达 2.03 kg?m?2?h?1，能量效率 94.54%，显著优于传统膜。构建的 3D 蒸发装置中，当倾斜角度为 60° 时，蒸发率最高达 3.82 kg?m?2?h?1，接近先进 3D 蒸发器水平。其高性能归因于海绵状梯度孔的连续水传输和高效热管理。
4. 实用性与耐久性
FDM-2-P-AD 在不同光照强度下蒸发率稳定，1 周循环实验中性能保持良好。在 3.5 wt% 盐水中，10 小时后蒸发率维持 90%，表面仅有少量盐结晶，且具备自清洁能力。对有机染料、重金属离子等污染物的净化实验表明，冷凝水离子浓度显著降低，符合饮用水标准。户外实验在成都东湖公园进行，8 小时内产水 6.13 kg?m?2，验证了实际应用潜力。
5. Hydrovoltaic 发电性能
基于 FDMs-P-AD 的发电装置利用定向水传输产生电势差，FDM-2-P-AD 的开路电压（V?C）超 200 mV，短路电流（Isc）最高，串联七个装置可产生超 1.6 V 电压，成功为电子表等设备供电，拓展了其在能源领域的应用。
研究结论与意义
本研究通过设计具有梯度孔结构的单层 FDMs，巧妙解决了传统蒸发器中流体传输与热定位的矛盾。其独特的二极管状水传输机制不仅提升了太阳能脱盐的效率，还为 hydrovoltaic 发电提供了新思路。FDMs 的高耐久性、盐抗性和污染物净化能力，使其在实际水处理场景中具有广阔应用前景。该工作为高性能单层膜在环境和能源领域的应用提供了通用设计框架，有望推动太阳能驱动技术的进一步发展与产业化。
