淡水短缺严重影响了人类生存和社会发展，使得海水淡化成为解决这一危机的关键方法[1],[2],[3],[4]。传统的海水淡化方法（如反渗透（RO）和多级闪蒸（MSF））依赖化石燃料，对环境造成巨大负担[5]。因此，开发高效、经济且环保的淡水生产技术至关重要[6],[7],[8]。近年来，太阳能驱动的海水淡化技术受到越来越多的关注，这种技术利用太阳能产生蒸汽和淡水[9],[10],[11]。其中，太阳能驱动的界面淡化（SID）通过局部热管理实现了高达80%的能源转化效率[9],[12],[13]。SID通常包括海水蒸发、蒸汽冷凝和淡水收集三个步骤[14],[15],[16]。尽管在太阳能-热转换材料方面的创新设计显著提高了蒸发速率[11],[18]，但蒸汽冷凝效率低下（0.3–0.5 kg·m2·h?1）仍然是水收集的瓶颈[19]。为了解决这一问题，人们开发了倒置太阳能蒸发器（ISE）来增强蒸汽收集效果[20]。此外，多级ISE装置通过回收蒸汽冷凝过程中的潜热进一步提高了能源利用效率和淡水产量[21],[22]。SID面临的一个关键挑战是在高蒸发速率与最小化盐结晶之间找到平衡——这是传统ISE装置难以解决的难题（图1a）[23],[24]。为了解决这一问题，人们提出了集成多种物理驱动力的混合系统[25]。例如，电场辅助策略在调节水分子动态和离子传输方面显示出潜力[26]。
电容去离子（CDI）是一种基于电场的电化学淡化技术，通过电双层处的电吸附或外部静电场（EEF）引发的法拉第反应去除盐离子，具有能耗低和产水量高的优点[27]。尽管通过提高电极表面积、改变化学成分和结构工程等方法进行了大量优化尝试[28],[29],[30]，但电极电双层电容对盐吸附容量（SAC）的固有限制仍然制约了CDI技术的扩展性[31],[32]。
基于以上分析，将太阳能驱动的海水淡化技术与电化学淡化技术结合到一个协同淡化平台中，可能是一种具有显著环境优势、提升运行效率并带来显著经济效益的解决方案[33],[34]。根据我们的初步实验结果（图1b），这种方法利用静电场和热场的协同效应，在水蒸发和离子传输方面具有优势。预实验表明，施加在CDI单元内的外部电场（EEF）有效改变了液-气相变的自由能格局（图1c所示）。EEF降低了水蒸发的活化能障碍，从而加快了蒸汽生成速度；同时，电场调节了蒸发界面附近阴离子和阳离子的空间分布，抑制了离子积累并减少了长时间运行过程中的盐结晶。图1d概念性地展示了热场在淡化过程中对离子传输行为的影响。预实验观察表明，温度升高降低了电荷传输阻力，增强了海水中离子的扩散动力学，从而加速了离子传输，使得盐度随时间更快下降[35]。基于这一概念，在我们之前的工作中，我们验证了使用双功能材料系统结合光热蒸发和电容去离子的可行性[13]。然而，之前的研究仅停留在概念阶段，尚未实现集成设备的制造或高通量水产量的实现。
本文开发了一种多级高通量光热电耦合淡化器（HPED），结合了CDI和ISE技术。通过电场和热场的耦合，该装置实现了更高的淡水流量、更快的离子去除速度以及更低的运行成本（图1b）。通过实验验证和理论分析，我们证明了HPED装置在促进淡水蒸发的同时防止了盐结晶，并加速了CDI中的离子传输，进一步降低了能耗。利用潜热回收和光热电耦合的优势，五级HPED装置在1阳光条件下实现了3.25 kg/m2·h?1的蒸发产率（蒸馏水产率为15.24 kg/m2·day?1）和2.05 g/m2的淡化产率（电容去离子产率为78.65 kg/m2·day?1）。该装置还显示出33.84%的能耗降低和优异的长期稳定性。因此，这种热电耦合策略为构建多技术耦合的淡化系统提供了指导方案。
