引言
人口增长、工业发展和气候变化加剧了水资源可利用性的时空失衡。因此，开发高效、低能耗和可持续的海水淡化技术已成为缓解全球淡水短缺的重要途径[1], [2], [3], [4]。传统热法淡化通常依赖连续的外部热量供给，而膜分离过程往往受限于膜污染、浓差极化以及高盐度浓缩过程中能耗的增加[5], [6], [7]。太阳能驱动界面蒸发将光热转化定位于气-水界面，从而减少了加热水体所产生的非蒸发热损失，为分布式淡水生产提供了有前景的技术路线[8], [9], [10]。
为增强界面蒸发性能，高吸收光热材料、三维蒸发结构、受限水层和多孔毛细介质已被广泛采用，以强化光热转化、扩大实际蒸发面积并改善水的传输[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]。例如，开放式三维结构可在相同的投影照射面积下提供更大的气-液界面和更有利的蒸气传输路径。Cai等人[18]进一步采用富含缺陷的氧化钨多孔气凝胶增强太阳能吸收、蒸气产生和重金属吸附，展示了一种将材料工程与三维蒸发界面协同结合的策略。然而，这些研究主要集中在提高光热材料性能或单个蒸发界面的性能上。蒸气冷凝过程中释放的潜热仍难以回收利用，从而限制了单位太阳能输入下的实际淡水产量。
多级蒸馏（MSD）提供了一种通过利用一级中蒸气冷凝释放的潜热来驱动下一级蒸发的有效途径，以实现太阳能的再利用。Chiavazzo等人[19]开发的被动式模块化太阳能蒸馏系统表明，多级蒸发-冷凝可显著提高单位太阳能输入下的淡水产量。随后对热量聚集多级蒸馏、光伏-膜蒸馏耦合、多级膜蒸馏以及冷凝界面热管理的研究进一步验证了级联潜热利用的有效性[19], [20], [21], [22], [23], [24]。然而，多级设备的性能并不会简单地随级数增加而持续提高，而是取决于蒸气产生、级间热传递、界面供水和冷凝液排出是否保持良好匹配。随着可用潜热沿各级逐渐衰减，各级的蒸发负荷和水量需求也相应变化。因此，热量输入与液体供给之间的不匹配限制了额外级数向有效蒸发和淡水产量的转化。
在通过毛细介质从底部供水的叠层MSD设备中，水必须被输送到位于不同高度的蒸发界面。随着传输路径变长，毛细阻力逐渐累积。因此，均匀或等宽的供水结构容易导致下部各级液体供给过量、上部各级供给不足以及局部润湿不均匀。液体供给过量会增加液层厚度及相关显热需求，而供给不足则可能减少有效蒸发面积并产生干斑。受树木启发的径向水传输、引导式供水路径和非对称传质结构的开发已改善了多级设备中的液体输送、盐迁移和稳定的淡水生产[25], [26], [27], [28]。然而，这些设计通常针对预设的蒸发输入优化水传输路径，而不同高度界面之间的实际供水比例及其与相应蒸发负荷的匹配关系却鲜有直接研究。
当顶部蒸发界面的几何形状改变时，这一问题变得更加突出。三维蒸发器可以扩大实际气-液界面面积并增加初始蒸气输出[16], [29], [30], [31]，但它们也改变了下游各级可用的冷凝潜热及其相应的水量需求。如果下游保留固定的供水配置，由于局部缺水、液体供给过量或润湿不均匀，额外的热量输入可能无法完全转化为整体蒸发和淡水产量。近期的综述进一步强调，太阳能驱动界面蒸发系统应从动力学、热力学以及资源和能源回收的角度进行协同设计[32]。然而，现有研究通常将材料或三维界面增强与多级水传输优化视为相对独立的设计要素。因此，顶部蒸气输入的变异、级间供水能力所需调整以及由此带来的实际淡水产量和潜热利用改善之间的关系仍有待充分理解。
因此，本工作的核心问题是：当顶部蒸发界面和初始蒸气输入发生变化时，如何调控各级的供水能力，使液体分配匹配多级蒸发需求，并将局部蒸发增强有效转化为整体蒸发速率、实际淡水产量和潜热回收的增益。
基于这一理念，本研究开发了一种将鳃启发的梯度供水结构与顶部蒸发界面调控相结合的向下蒸发多级蒸馏设备。受鱼鳃主鳃弓-鳃片流体分配特性的启发，该设备集成了中央扁平供水主干和具有分级变宽特征的无定形造纸（ALP）支管。通过调控不同高度的毛细供水能力，该设计补偿了因传输距离增加而导致的水量输送衰减。顶部采用2D-Al@PPy或3D-Al@PPy蒸发器产生不同的初始蒸气输入，并配合非梯度和多种梯度供水配置。系统地评估了界面几何形状和水分配对级间润湿状态、累计蒸发速率、实际淡水收集量、性能比以及高盐度条件下长期稳定性的影响。本研究旨在建立初始蒸气输入、级间水分配与多级性能输出之间的关系，从而为太阳能多级蒸馏系统从局部界面增强向系统级协同设计的转变提供实验证据。
