山东大学宋波、路士州AFM：新型泪滴形3D太阳能蒸发器实现高效海水淡化与零排放

随着全球人口增长、工业化进程加速以及气候变化影响，淡水资源短缺问题日益严峻。到2030年，全球半数人口将面临严重淡水危机。海水淡化是缓解淡水短缺的有效途径，但传统技术如反渗透、多级闪蒸等存在能耗高、成本大、环境污染等问题。太阳能驱动界面蒸发技术因其绿色、可持续的特性备受关注，但其核心组件——太阳能蒸发器——在提升垂直供水能力和有效蒸发面积方面仍面临挑战。

山东大学宋波副教授、路士州副教授合作开发出一种新型泪滴形3D太阳能蒸发器，通过多尺度仿生供水结构显著提升了海水淡化效率。该蒸发器结合了仙人掌-inspired的弯曲供水通道、不对称沟槽和微孔阵列，不仅将有效蒸发面积提高了40%，还将供水时间缩短了50%。在标准光照下，其蒸发速率达到3.73 kg·m⁻²·h⁻¹，能量效率高达202.7%。此外，顶部锥形结构实现了局部盐结晶，确保了长期稳定运行和零液体排放，适用于高盐度、强酸和有机废水等多种恶劣环境。相关论文以“ Teardrop-Shaped 3D Solar Evaporator with Multiscale Biomimetic Water-Supply Structures for Highly Efficient Seawater Desalination”为题，发表在

Advanced Functional Materials

图1展示了泪滴形蒸发器的仿生设计与表面结构优化。研究人员受猪笼草口缘、鸻鹬喙和仙人掌的微观结构启发，采用熔融沉积建模技术制备了泪滴形蒸发器，其上部分为锥形结构，下部分为仙人掌形结构。不对称沟槽结构通过毛细作用推动液体向上输送，微孔结构则起到液膜钉扎和储水作用，防止回流。此外，通过沉积单宁酸/氨基硅烷和聚吡咯亲水涂层，表面粗糙度和亲水性显著增强，接触角从66°降至近乎瞬时吸水，极大提升了供水能力。

图1. a) 泪滴形蒸发器的仿生设计。b–d) 泪滴形蒸发器的表面微观结构。e) 亲水涂层沉积前后蒸发器的表面形貌。f) 亲水涂层的傅里叶变换红外光谱。g) 不同涂层的静态接触角。

图2进一步揭示了蒸发器结构参数对其供水性能的优化效果。通过调节锥形与仙人掌部分的高度比、沟槽数量、整体高度以及沟槽分段构建方式，研究人员发现高度比为2:1、沟槽数为36、总高25 mm时，供水时间最短至1.5秒。光照下，顶部与底部的温差引发马兰戈尼效应，进一步加速了水分向上输送，提升了蒸发效率。

图2. 泪滴形蒸发器在1太阳光照下加速水传输过程的构型优化。a) 锥形部分与仙人掌部分的高度比。b) 供水沟槽数量。c) 整体高度。d) 沟槽的构建方式。

图3反映了蒸发器优异的光热转换性能。涂层在紫外至近红外波段吸收率超过90%，聚吡咯涂层表现出更强的光热响应能力。在光照下，蒸发器表面温度在5分钟内达到稳定，干态和湿态下分别为55°C和30°C。泪滴形结构形成顶部辐照区和底部非辐照区，湿态下底部温度高于顶部，形成显著温度梯度，有利于环境能量捕获。

图3. 泪滴形蒸发器的光热转换性能。a) PLA、AP和AP@PPy₂涂层的吸光特性。b) AP@PPy₂涂层在1太阳光照下顶部和底部温度变化。c) 1太阳光照下蒸发器表面的温度梯度。

图4系统比较了不同结构参数和涂层对蒸发性能的影响。优化后的泪滴形蒸发器在1太阳光照下蒸发速率达3.73 kg·m⁻²·h⁻¹，能量效率为202.7%，显著优于同等高度的圆锥形蒸发器。其更大的蒸发面积和更强的环境能量捕获能力是性能提升的关键。

图4. 不同结构参数下蒸发器在1太阳光照下的蒸发性能。a) 不同顶部沟槽结构。b) 不同表面涂层。c) 相同高度（25 mm）的圆锥形与泪滴形蒸发器对比。所有实验样本数不少于3。

图5展示了蒸发器在脱盐与净化方面的卓越表现。即使在高盐度饱和盐水中，蒸发速率仍达2.88 kg·m⁻²·h⁻¹，并具备良好的循环稳定性。局部盐结晶机制使盐分仅在顶部析出，底部蒸发区持续工作，实现了自清洁和长期稳定运行。此外，蒸发器对酸性废水和有机染料废水也表现出良好的净化能力，净化后水质透明，污染物去除彻底。

图5. 优化后泪滴形蒸发器的脱盐与净化实验。a) 在不同盐溶液中的脱盐性能。b) 海水（3.5 wt.%）中的循环蒸发测试。c) 在海水（3.5 wt.%）中的局部盐结晶与自清洁能力。d) 局部盐结晶机制示意图。e,f) 对不同有机废水（50 ppm）的净化能力。所有实验样本数不少于3。

图6通过户外实验验证了蒸发器的实际应用潜力。在真实环境下，蒸发器日均产水量达25.51 kg，可满足三名成人日用水需求。产水离子浓度下降四个数量级，电阻率显著提高，符合世界卫生组织饮用水标准。经济与环境评估显示，该系统制水成本低至每升0.004美元，碳足迹远低于传统脱盐技术，具备良好的商业化前景。

图6. 户外蒸发实验。a) 自制蒸发设备。b) 2025年4月26日9:00至17:00威海户外实验期间的环境温度、湿度、太阳辐照度及蒸发速率。c) 处理前后金属离子浓度变化。d) 电阻率测试。

该研究通过仿生结构设计与表面改性，成功开发出具有高效供水、大面积蒸发和环境能量捕获能力的泪滴形太阳能蒸发器，为实现可持续、低成本的淡水供应提供了新思路，未来有望在沿海和缺水地区推广应用。

来源：高分子科学前沿

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