仿戴森球结构蒸发器通过自生内部对流增强界面太阳能蒸发性能

为解决界面太阳能蒸发(ISE)技术中外部气流依赖导致的系统复杂性问题，研究人员设计出仿戴森球结构蒸发器(DSEs)。该设计通过自生内部对流同时激活内外蒸发表面，在牺牲36%光能用于对流生成的情况下，仍实现4.08 kg m-2 h-1的高蒸发速率，为ISE系统设计提供了能量分配新思路。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，界面太阳能蒸发(Interfacial Solar Evaporation, ISE)技术因其环保、低能耗的特点成为研究热点。这项技术通过光热材料将太阳能转化为热能，在气液界面实现高效水蒸发，可应用于海水淡化、废水处理等多个领域。然而传统ISE系统面临一个关键瓶颈：要提高蒸发速率，通常需要引入外部强制对流来加速蒸汽扩散，但这会导致系统复杂化并增加能耗，违背了ISE技术简单、被动、可持续的核心优势。

在此背景下，南澳大利亚大学Haolan Xu团队受天文学"戴森球"概念启发，在《Nature Communications》发表创新研究。戴森球是理论中包围恒星收集能量的巨型结构，而研究人员将其结构精髓应用于蒸发器设计，开发出具有自生对流功能的仿戴森球结构蒸发器(Dyson sphere-like evaporators, DSEs)。这种设计巧妙解决了蒸汽移除与能量消耗之间的矛盾，为ISE技术发展开辟了新路径。

研究团队采用三项关键技术方法：(1)通过3D打印精确制备不同结构的蒸发器基底；(2)开发原位交联辅助浸渍涂层(ICDC)技术，在复杂结构表面均匀覆盖rGO-纤维素-海藻酸钠光热水凝胶；(3)结合数值模拟和烟雾流动实验验证自生对流机制。使用真实海水进行户外测试，验证了实际应用潜力。

研究结果部分，通过系统比较五种不同结构的蒸发器性能，揭示了结构与性能的关系：

Design, preparation, and characterization of DSEs

研究人员首先建立光热水凝胶涂层工艺，通过ICDC方法在3D打印的UV树脂基底上形成稳定的rGO-纤维素-SA复合涂层。该涂层具有优异的亲水性(水滴0.5s内吸收)和光吸收性能(补充图11)，为高效蒸发奠定基础。

Impact of self-generated convection on solar evaporation performance

基础结构DSE-I虽具有1.6倍蒸发表面积，但因内部蒸汽积聚，暗蒸发速率反低于传统球形蒸发器(SE)。光照下DSE-I产生0.01 m s^-1的内部对流，激活部分内表面，使蒸发速率与SE相当(约2.04 kg m^-2 h^-1)。

优化后的DSE-III(含内半球)通过增强对流使蒸发速率提升至3.20 kg m^-2 h^-1。而将内半球改为非蒸发性的黑色丙烯酸涂层(DSE-IV)，虽减少蒸发面积，但因表面温度更高(补充图17)、对流更强(0.04 m s^-1)，蒸发速率进一步提高到3.45 kg m^-2 h^-1。

最终版DSE-V通过顶部开口设计，牺牲36%光能用于生成更强对流(0.08 m s^-1)，实现4.08 kg m^-2 h^-1的创纪录蒸发速率，比传统SE提高100%。烟雾流动实验直观展示了自生对流的形成过程(补充视频S1)。

Evaluation of cost, stability, and outdoor performance of DSE-V

实际应用测试显示，DSE-V材料成本仅0.027美元/个，在8小时连续海水淡化中保持3.5-3.8 kg m^-2 h^-1的稳定蒸发速率且无盐分积累(补充图23)。户外装置10小时收集63.76g纯净水，离子浓度远低于WHO标准(图5g)。

这项研究突破了传统ISE设计的能量利用范式，提出将蒸发过程视为"化学反应"的新视角：适当牺牲部分光能(36%)用于生成对流移除"产物"(蒸汽)，反而能获得更高的整体蒸发速率。DSE-V的蒸发性能(4.08 kg m^-2 h^-1)远超近年报道的大多数蒸发器(图5a)，为设计高效被动式太阳能蒸发系统提供了新思路。该成果不仅推进了ISE技术的实用化进程，其"能量-反应平衡"的设计理念也可启发其他能源转换领域的研究。