CEJ|成都理工大学李小可课题组：受莲蓬启发的水凝胶蒸发器通过精确排列的润湿域激活水，实现低焓蒸发

成果简介

近日，成都理工大学李小可课题组在《Chemical Engineering Journal》 (IF= 13.2，JCR一区，中科院一区TOP) 发表了题为“Activating water via precisely patterned wettability domains for low-enthalpy evaporation with a lotus-seed-pod inspired hydrogel” 的研究论文

针对太阳能界面蒸发（SIE）中水汽化潜热过高及高盐度下盐结晶严重的双重挑战，研究团队受自然界莲蓬“疏水表面镶嵌亲水孔隙”独特构型的启发，提出了一种基于仿生异质润湿性界面的热力学调控策略 。该工作制备了具有分级蜂窝状框架的仿生水凝胶蒸发器（PLH@OTS），其核心创新在于利用仿莲蓬结构的“疏水表面-亲水孔道”空间排布，实现了对界面水分子氢键网络的主动重构 。这种精准的界面设计成功富集了弱键合的“中间态水”，将水蒸发焓显著降低至 1793 J·g-1（降幅达 26.6%）。得益于这一低能耗蒸发路径，该仿生蒸发器在 20 wt.% 高浓度盐水中实现了 2.82 kg·m-2·h-1 的卓越蒸发速率 。此外，结合分子动力学（MD）模拟与有限元分析(COMSOL Multiphysics)，研究揭示了该结构不仅降低了水分子的逃逸能垒，还诱导了热-溶质协同的马兰戈尼对流，从而在连续 240 小时的极限运行中实现了“零盐结晶” 。该工作不仅证明了仿生结构设计在降低相变能耗方面的巨大潜力，也为高盐废水处理及可持续海水淡化提供了高效的零液体排放解决方案 。

研究背景

全球水危机与绿色解决方案 随着全球淡水资源的日益匮乏，太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术凭借其清洁、零碳的优势，已成为解决海水淡化与废水处理问题的关键路径 。尽管现有的光热系统通过界面加热规避了体相水的热损耗，但 SDIE 技术的进一步突破仍受制于一个根本性的物理热力学约束——水分子间极强的氢键网络导致的高汽化焓 。这意味着，要驱动液态水发生相变，必须克服巨大的能量壁垒，这直接锁死了蒸发速率的上限 。

目前主流的界面调控策略（如表面润湿性改性或分级结构设计）虽然在一定程度上缓解了盐结晶问题，但往往依赖随机的表面修饰或侧重于宏观的水/气传输通道优化 。这些方法本质上更多是针对“积盐”症状的被动防御，缺乏对界面水分子微观状态的主动调控能力，难以从根源上重塑水相变的能量格局 。

为了突破这一热力学桎梏，赋予蒸发界面以“主动活化”水分子的能力成为关键。受自然界莲蓬“疏水表面镶嵌亲水孔隙”独特构型的启发，本研究提出了一种精准的仿生界面设计策略 。利用聚乙烯醇/莲藕淀粉双网络水凝胶与定域疏水修饰，构建了具有精确图案化的“疏水域-亲水孔”异质界面 。该结构通过空间限域与润湿性差异的协同作用，主动重构了界面水分子的氢键网络，富集了弱键合的“中间态水”，从而大幅降低蒸发焓（降幅达 26.6%），并利用诱导的马兰戈尼对流实现高效、抗盐的太阳能海水淡化

图文导读

图1. 莲荚启发设计概念示意图，展示了具有疏水表面和亲水孔隙的仿生蒸发器如何通过协同效应实现高效耐盐的太阳能蒸发。

图2. a) 多尺度改性水凝胶基蒸发器的制备流程及其对应反应机理；b) PLH的扫描电子显微镜图像；c) 其高倍放大视图；d) 疏水表面（右）与亲水内孔（左）的静态水接触角；e) PVA、LRS、PLH及PLH@OTS的傅里叶变换红外光谱； PLH@OTS的XPS结果：f) 概览扫描（插图为高分辨率Si 2p谱）和g) 高分辨率O 1s谱；h) PLH@OTS与PVA水凝胶的储能模量(G′)和损耗模量(G″)。

图3. a) 水凝胶网络中水分子状态示意图；b) 蒸发器表面疏水区c) 亲水区O-H伸缩振动带拉曼光谱分析拟合曲线；d) 纯水与PLH@OTS的差示扫描量热法（DSC）热谱图； e) 基于暗蒸发实验推导的等效蒸发焓比较示意图；f) 不同水凝胶样品饱和含水量的对比。

图4. a) 平面蒸发器能量损耗示意图与仿生结构蒸发器能量回收示意图；b) PLH@OTS的紫外-可见-近红外吸收光谱与太阳辐射光谱；c) PLH-0、PLH-3及PLH@OTS-3蒸发器表面的红外热成像图； 三种蒸发器在d)纯水和e)20 wt.% NaCl盐水中的蒸发速率与效率对比；f)温度梯度与盐度梯度驱动的协同马兰戈尼对流防盐机制示意图；g)不同孔数PLH@OTS蒸发器在20 wt.%盐水中的蒸发速率。

图5. a) PLH@OTS-0、PLH@OTS-1和PLH@OTS-3在蒸发器-空气界面随时间演变的热对流COMSOL Multiphysics仿真； b) 分子动力学（MD）模拟快照展示异质结构表面上的水蒸发过程，包括初始状态（0 ns）、蒸发状态（25 ns）和终态（50 ns）。原子颜色方案：氧（红）、氢（白）、碳（青）、硅（黄）。水分子以集体区域表示；c) 三种模型（亲水性、疏水性及异质结构）在MD模拟中随时间演变的蒸发水分子数与氢键数变化；d) 三种模型中界面水分子氢键网络排列的快照。

图6. a) PLH@OTS-5在20 wt.%盐水中的循环稳定性测试；b) 三种不同盐度模拟海水脱盐前后总溶解固体（TDS）的对比；c) 海水脱盐前后主要离子浓度的变化； d) 户外太阳能蒸发与淡水收集系统的示意图及 e) 实景照片；f) 环境湿度、太阳辐射强度、环境温度随时间变化曲线，以及 g) PLH@OTS-5 与 PLH-0 淡水收集量在每日 8:00 至 18:00 时段的变化；h) 表面工程与分级结构工程蒸发器效率对比。

作者简介

第一作者：

陈潜，成都理工大学材料与化学化工学院2023级硕士研究生，累计发表SCI论文2篇。

通讯作者：

李小可，成都理工大学副教授，硕士生导师，西安交通大学博士后，主要从事太阳能光热转换与太阳能热利用技术相关领域的研究，截止目前共发表SCI论文及中文核心期刊论文70余篇，总他引次数超过2000次，H指数为15，并有多篇论文入选ESI热点论文和高被引论文，连续四年入选全球前2%顶尖科学家(2022，2023，2024，2025)。邮箱：xiaokeli319@126.com

周英棠，浙江海洋大学教授/博士生导师。研究方向为高通量多元检测技术，光热材料在肿瘤治疗，海水淡化及水处理的研究。近三年以通讯作者在Prog Mater Sci., Nat.Commun., Adv. Mater., Angew Chem, Adv. Energy Mater., Coordin. Chem. Rev., Adv.Functional Mater., Nano Energy, ACS Nano, Applied Cata. B. Env.等高水平期刊发表论文100余篇。中国自然资源部海洋环境试点城市项目委员会成员，中国医疗器械学会浙江分会青委会副秘书长。邮箱：zhouyingtang@zjou.edu.cn

https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.172829