突破蒸发焓：界面水蒸发偏离热力学预测的内在机制

Volume 1 Issue 5Inorganic Materials

School of Marine Science and Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering, Hainan University, Haikou, Hainan, 570228, P. R. China

https://doi.org/10.1016/j.revmat.2025.100090

01.研究背景

界面太阳能蒸汽生成（ISSG）技术利用太阳能这一可持续再生能源，驱动海水及其他水源的蒸发过程，并通过冷凝蒸汽获取淡水。该技术以近乎零能耗的方式生产饮用水，为缓解全球淡水危机提供了极具前景的解决方案。近年来，基于水团簇蒸发等水活化理论的高性能蒸发材料不断涌现，其蒸发速率突破了传统蒸发过程的热力学极限，这种现象被称为“超常蒸发”。尽管其理论机理尚存争议，但越来越多证据表明，界面处的蒸发速率确实能够超越经典理论模型设定的上限。本文重新审视了关于蒸发焓降低理论（即超常蒸发效应）的学术争论与研究进展，通过建立界面蒸发过程的精细化分类体系，对现有理论框架进行系统性重构。海南大学的Wei Huang教授着重阐释了界面过程在超常蒸发效应中的关键作用，以期推动学界将研究焦点集中于蒸发界面，从而深化对ISSG系统中这一特殊现象的机理认知。

02.图文导读

随着光热转换材料的持续发展，太阳能-热能转换效率目前已突破70%，部分体系甚至可达85%。这一重大进展使得光热转换不再成为界面蒸发速率的限制因素。在无法从周围环境吸收额外能量的条件下，蒸发界面处的总能量输入保持恒定，而超越理论极限的蒸发速率主要归因于蒸发焓（即汽化单位质量水所需热量）的降低（图1）。该现象表明超常蒸发与所谓的"水活化"效应存在关联。然而根据传统热力学观点，蒸发焓本质上是温度与压力的函数（克劳修斯-克拉佩龙方程：dP/dT = ΔHvap/T(Vg-Vl)，其中ΔHvap为水的蒸发焓）。

近期研究将超常蒸发现象主要归因于两大因素：蒸发过程中从环境空气吸收的二次能量[3]，以及纳米材料提供的蒸发表面积被低估[4]。一方面，三维蒸发器已被证实具有更高的环境能量捕获效率，其蒸发界面温度常低于环境温度，从而能够从周围空气吸收能量[5]；而更常用的二维蒸发器界面温度通常维持在40°C左右，显著高于环境温度，因此无法从环境获取能量。另一方面，基于表观蒸发速率计算的蒸发焓可能受有效蒸发面积影响。但研究通过同步热分析等技术直接测量表明[6-8]，汽化单位质量水所需的热量确实显著降低。

特别需要指出的是，限域在纳米通道中的水分子易形成异常团簇结构（图2），该现象已通过中子散射、STEM等技术直接观测到。文献报道的几乎所有低蒸发焓材料均为多孔结构，尤其是水凝胶基蒸发器——其多孔基质中吸附的水分子很可能形成类似团簇结构。若水团簇在阶段1从蒸发界面释放后，将团簇解离为单个水分子所需的能量无需由蒸发界面本身提供（阶段2）。因此蒸发界面处的主要能耗仅限于克服团簇从界面分离的能量势垒（阶段1）。以下简要公式说明分离界面（阶段1）的能量输入与消耗路径：

Ein = Ecluster + Esensible + Qloss

其中Ein代表入射太阳能，Ecluster表示界面处水团簇分离所需潜热，Esensible代表蒸发的显热，Qloss表示界面热损失。该机制降低了蒸发界面的净能量支出，从而导致蒸发焓减小（图1）。在开放式测试系统中，水团簇离开界面后（阶段2）的能量变化通常不再直接影响蒸发器能耗。这意味着差示扫描量热法（DSC）或同步热分析等传统方法主要测量团簇脱离界面前（阶段1）的相变能耗，无法检测阶段2的后续能量变化。因此，要全面理解蒸发界面的真实能耗动态——特别是验证"团簇释放"模型及其对蒸发焓的影响——亟需开发能够探测不同蒸发阶段能量变化的先进原位实验技术。

Fig. 1. The scheme of low-enthalpy evaporation: In conventional evaporation, vapor leaves the bulk water as individual molecules; whereas in interfacial evaporation, it departs the interface as clusters, subsequently absorbing energy from the air to transition into individual molecules. This reduces the energy input required for the interfacial evaporation process, manifested as a decrease in the enthalpy of evaporation.

Fig. 2. Mechanism of water evaporation within the nano-confined channels.

03. 结论与展望

总体而言，在阶段一，水分子以团簇形态脱离蒸发界面，导致表观蒸发焓显著降低；而在阶段二中，这些水团簇的进一步解离需要吸收额外能量——该过程通常未被计入界面太阳能蒸发的能量平衡体系。尽管相关理论机制尚存争议，但提升界面蒸发性能的关键在于进一步促进水团簇的形成并确保其稳定脱离蒸发界面。现有研究证实，蒸发界面是实现水活化（形成团簇结构）并显著降低蒸发焓的核心区域。未来研究需深入揭示界面处水团簇形成与脱离的微观动力学过程，同步发展原位表征技术以定量解析水活化机制与界面结构的精准关联，这将为设计更高性能的蒸发界面提供理论指导，对推动ISSG技术取得突破性进展具有至关重要的意义。

04. 文章信息

引用本文

Mingxin Zhang, Weihua Song, Yajie Zhong, Wei Huang, Beyond evaporation enthalpy: Why interfacial water evaporation defies thermodynamic predictions, Review of Materials Research, Volume 1, Issue 5, 2025, 100090, ISSN 3050-9130

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05.文章摘要

Interfacial solar steam generation (ISSG) leverages solar energy, a sustainable and renewable resource, to facilitate the evaporation of seawater or other water sources, thereby enabling the collection of condensed freshwater. This approach presents a nearly zero-energy solution for the production of potable water, offering a promising alternative to mitigate the global freshwater crisis. Recent advancements have led to the development of high-performance evaporative materials, grounded in theories such as water cluster evaporation and other water activation mechanisms. These materials exhibit evaporation rates that exceed the thermodynamic limits of conventional processes, a phenomenon referred to as super-evaporation. Although there remains ongoing debate regarding the theoretical underpinnings of this phenomenon, a growing body of evidence suggests that the evaporation rate at the interface can indeed surpass the theoretical limits defined by classical models. This paper seeks to re-evaluate the ongoing debates and advancements surrounding the theory of reduced evaporation enthalpy, or the superevaporation effect, and offers a refined categorization of the interfacial evaporation process to reassess the underlying theories. We highlight the critical role of interfacial processes in the super-evaporation effect, with the aim of encouraging further research focused on the evaporation interface to deepen the understanding of this phenomenon within ISSG systems.

界面太阳能蒸汽发电（ISSG）技术利用太阳能这一可持续再生能源，驱动海水及其他水体的蒸发过程，并通过蒸汽冷凝获取淡水。该技术以近乎零能耗的方式生产饮用水，为缓解全球淡水危机提供了极具前景的解决方案。近年来，基于水团簇蒸发等水活化理论的高性能蒸发材料不断涌现，其蒸发速率突破了传统蒸发过程的热力学极限，这种现象被称为“超常蒸发”。尽管其理论机理尚存争议，但越来越多证据表明，气液界面处的蒸发速率确实能够超越经典理论模型设定的上限。本文重新审视了关于蒸发焓降低理论（即超常蒸发效应）的学术争论与研究进展，通过建立界面蒸发过程的精细化分类体系，对现有理论框架进行系统性重构。我们重点阐释了界面过程在超常蒸发效应中的关键作用，以推动学界将研究焦点集中于蒸发界面，从而深化对ISSG系统中这一特殊现象的理论认知。

06.期刊介绍

《中国材料研究学会会刊》（Review of Materials Research）创刊于2025年，由中国材料研究学会主办，爱思唯尔（Elsevier）出版社负责全球出版与发行。作为一本国际性、跨学科、高水平的学术月刊，期刊旨在服务全球材料科学技术领域的前沿研究与创新发展，初期每年计划发表约300篇高质量论文。

本刊覆盖材料科学多个重要研究方向，重点关注以下四大领域的最新研究成果与技术进展：

最新研究报告 (Flash Report)

精要综述 (Concise Review)

综合调查(Comprehensive Survey)

战略评述 (Strategic Commentary)

期刊实行“编委会领导、咨委会指导、执委会运行”的组织模式，建立了由多位国内外材料领域权威专家组成的学术委员会体系，包括期刊编委会、国际咨询委员会和期刊执行委员会。

期刊编委会主任：魏炳波院士（中国科学院院士、中国材料研究学会理事长、西北工业大学教授）

国际咨询委员会主任：段文晖院士（中国科学院院士、清华大学物理系教授）

期刊设置副主编3位，分别为：吕昭平教授（北京科技大学）、周科朝教授（中南大学）、朱敏教授（华南理工大学）

主题编辑4位，分别为：陈人杰教授（北京科技大学）、何杰教授（中国科学院）、黄陆军教授（哈尔滨工业大学）、陈红征教授（浙江大学）

期刊编委包括（按姓氏拼音顺序）：
冯吉才教授、李润伟教授、李晓光教授、孟国文教授、阮莹教授、孙宝德教授、孙大林教授、武建劳教授、武晓雷教授、杨森教授、赵乃勤教授、郑伟涛教授等。

国际咨询委员会成员包括（按姓氏拼音顺序）：
陈立东院士、Junjun Jia教授（日本）、Jinhyeok Kim教授（韩国）、Sangwoo Kim教授（韩国）、Inhwan Lee教授（韩国）、刘昌胜院士、刘益春院士、南策文院士、聂柞仁院士、孙军院士、田永君院士、Huaming Wang教授、张荻院士、Lianmeng Zhang教授、张平祥院士、 朱美芳院士、左良教授等。

期刊官方网站：