成都理工大学‌AM：打破太阳能海水淡化效率纪录

新型“Janus能量-质量中继”架构突破太阳能海水淡化理论极限

随着快速工业化和气候变化，全球淡水资源短缺问题日益严峻。太阳能界面蒸发作为一种可持续的清洁水生产技术，通过将光热能量局域在气-液界面，展现出高效产水的潜力。然而，传统太阳能界面蒸发系统面临一个根本性矛盾：维持高蒸发速率需要充足的水供应，但这不可避免地导致传导热损失进入水体；反之，过度限制水通道以抑制热损失则会迅速耗尽界面水，引发盐结晶。这种热力学挑战从根本上制约了蒸发速率向更高理论极限的突破。近年来，水凝胶网络因其焓管理能力而受到广泛关注，通过聚合物链与水分子之间的氢键作用，水凝胶能将强结合的主体水转化为弱相互作用的中间水，从而降低汽化所需能量。然而，仅依靠聚合物网络存在局限——水凝胶表面缺乏高效的催化活性位点，在光照下无法快速切断水分子的残余氢键。

为突破这一热-质失配瓶颈，成都理工大学‌王红兵研究员、李小可副教授和新加坡国立大学陈瑞深（Swee Ching Tan）副教授、广西壮族自治区人民医院徐爱浩‌博士合作提出了一种基于焓-熵协同的能量-质量中继策略，设计出功能解耦的Janus双层结构蒸发器（CHH）（图1a）。该蒸发器底部采用双网络水凝胶作为热力学调控层，抑制向下热传导的同时将主体水选择性预活化为低焓中间态；顶部则通过闪蒸焦耳热法合成的高熵合金氧化物层作为动力学加速器，利用其活性位点和氧空位快速剪切预活化水的残余氢键（图1b）。原位XPS和DFT分析揭示，高熵合金氧化物缺陷处的光致极化将电荷注入水反键轨道，使O-H键拉伸至1.209 Å。最终，该蒸发器在1个太阳光照下实现了4.02 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，超越了单一材料的物理叠加极限，突破了界面相变的理论限制。相关论文以“Janus Energy-Mass Relay Architecture via High-Entropy Catalysis for Non-Equilibrium Solar Desalination”为题，发表在Advanced Materials上。

图1| (a) CHH中能量-质量中继的横截面视图；(b) W和OV协同极化的原子级核心机制示意图。

结构设计与多尺度表征

研究团队构建的CHH蒸发器具有鲜明的功能导向双层结构（图2a）。顶部为碳布锚定的高熵（FeCoNiCrW）₃O₄纳米颗粒层，承担光热转换和最终键剪切的功能；底部为PVA/PAA双网络水凝胶层，负责持续补水和热局域。扫描电镜图像显示，闪蒸焦耳热法的超快热冲击诱导高熵氧化物纳米颗粒在碳纤维骨架上实现了均匀、高密度地原位生长（图2b、2c），这不仅最大化了光热界面面积，还最小化了界面热阻，确保了高效热通量传递至反应位点。与此同时，底部水凝胶层呈现出分级互连的微孔网络，孔径从数微米到数十微米不等，高倍观察显示孔壁异常光滑（图2d），这种低曲折度结构从流体动力学角度有效降低了毛细流动阻力，保证了向蒸发界面的快速、定向水供应。

在原子尺度上，高分辨透射电镜清晰识别出0.2454 nm和0.2046 nm的晶格条纹，分别对应尖晶石结构的（311）和（400）晶面（图2e）。观察到的轻微晶格畸变表明存在高度内应变，这是高熵材料的典型特征，通常与增强的催化活性相关。高角环形暗场扫描透射电镜结合能谱面分布分析证实了Fe、Co、Ni、Cr、W在原子水平上的均匀分布（图2f、2g），这种化学均匀性验证了闪蒸焦耳热法在毫秒级快速淬火效应下成功将多元固溶体冻结为热力学亚稳态高熵相，为协同多金属催化提供了结构前提。

X射线衍射图谱显示典型的单相尖晶石结构，证实了五种不同离子半径的金属阳离子成功通过熵驱动固溶进入单一晶格（图2h）。X射线光电子能谱揭示了复杂的混合价态电荷景观——Fe、Co、Ni以+2和+3价态共存充当氧化还原中心，而高价态的Cr³⁺、Cr⁶⁺和W⁶⁺作为强电子受体，通过诱导效应调节局域电子密度，显著增强活性表面的路易斯酸性以促进水分子的特异性吸附。最关键的是，氧空位作为水活化的核心活性位点得到了明确证实。O 1s谱图中位于532.6 eV的显著峰（区别于晶格氧的529.3 eV）归属于缺氧区域或表面吸附羟基，而电子顺磁共振谱在g=2.003处显示尖锐的强单线信号（图2i），证实了高浓度未配对电子被捕获于氧空位。这些丰富的缺陷归因于闪蒸焦耳热法毫秒级快速淬火效应冻结的非平衡高熵态，表面空位产生强局域电场，充当锚定水分子的陷阱并削弱其氢键网络。

得益于闪蒸焦耳热合成的超快超高温特性，高熵氧化物纳米颗粒被牢固地锚定在碳布微纤维上而非仅仅物理沉积，CH层展现出优异的宏观柔性，可承受任意折叠、扭曲和弯曲而不发生结构失效或活性材料脱落，确保了在波动环境干扰下的长期运行稳定性。同时，PVA/PAA水凝胶在动态扫描实验中表现出更宽的线性粘弹性区域（G′ > G″），证明其交联结构足以承受长时间溶胀和渗透冲击。

图2| (a) CHH蒸发器的制备流程；(b, c) 不同放大倍数下CH的扫描电镜图像；(d) 水凝胶的扫描电镜图像；(e) CH的透射电镜图像；(f, g) CH的HAADF-STEM图像及对应EDS元素面分布；(h) CC、CH的XRD谱图；(i) CH的EPR谱图。

热管理与水传输性能

CHH蒸发器在紫外-可见-近红外光谱范围（250-2500 nm）展现出优异的宽带吸收，平均吸收率超过96%（图3a）。这种卓越的光捕获能力来源于双重协同效应：光学上，粗糙的碳布骨架诱导多次内部散射；电子上，高熵（FeCoNiCrW）₃O₄纳米颗粒引入复杂的d-d电荷转移跃迁和晶格畸变诱导的带隙窄化，确保充足的光子能量输入驱动后续水活化。实时红外热成像和动态温度曲线显示，在1个太阳光照下蒸发表面迅速达到高温平衡，而底部主体水仍接近环境温度（图3b、3c），这种陡峭的温度梯度证实了多孔水凝胶层作为优异热绝缘体，严格将产生热量局域在液-气界面并有效切断向下传导热损失。

COMSOL Multiphysics模拟进一步证实，纯CH模型表现出明显的向下温度梯度，而Janus CHH模型则呈现严格限制在顶部高熵氧化物表面的高度局域高温区，水凝胶层下方的水体保持均匀环境温度（图3d）。这种完美的热约束从理论上证实了大部分吸收的太阳能被用于界面相变而非显热。接触角测试验证了水凝胶网络的超亲水性和毛细作用，这种互连多孔结构充当低摩擦水泵，确保快速界面汽化与充足向上液流通量持续匹配。

在能量-质量过程的初始活化阶段，拉曼光谱显示CH层和CHH蒸发器在O-H伸缩振动区（3000-3800 cm⁻¹）呈现出不同的水分子状态分布（图3e、3f）。在水凝胶网络中，水分子主要分为强氢键结合水、中间水和弱氢键结合水三类。CHH蒸发器表现出显著更高的中间水与自由水比值，证明水凝胶基质内的亲水官能团竞争性参与水合作用，有效破坏主体水的刚性四面体氢键网络并促使其转化为松散配位的团簇。差示扫描量热法进一步定量验证，CHH系统中水的等效蒸发焓显著低于主体水（图3g、3h），这种热力学能量节省为后续动力学剪切建立了充足的热力学驱动力。

图3| (a) CHH的紫外-可见-近红外吸收光谱；(b) 红外热成像温度分布；(c) 动态温度曲线；(d) COMSOL热模拟温度分布；(e, f) CH层和CHH蒸发器的O-H伸缩振动区拉曼光谱分峰拟合；(g, h) 差示扫描量热法分析。

机制探究与理论计算

为揭示高熵氧化物表面精确的原子级动力学加速机制，研究团队采用原位X射线光电子能谱监测模拟太阳照射下的实时电荷转移。与暗态相比，光照下W 4f峰出现+0.3 eV的明显正移，表明W位点局域电子耗尽（图4a）；同时O 1s谱呈现相应的-0.8 eV负结合能位移，标志电子积累（图4b）。这种光致双向电荷迁移有力验证了在HEAO表面高度极化的W位点与相邻氧空位之间产生了强内建微电场，为后续水活化奠定了基础。

密度泛函理论计算进一步阐明了极化表面与水分子间的相互作用。涉及W和氧空位协同位点的构型表现出最负的吸附自由能（-2.56 eV），显著优于常规O位点（-1.87 eV）和完美W位点（-2.18 eV）（图4c），证实Ov-W缺陷区作为高效能量漏斗优先快速捕获水凝胶向上泵送的松散键合预活化中间水团簇。投影晶体轨道哈密顿布居分析定量了水分子内O-H键的键合强度（图4d-4f），积分晶体轨道哈密顿布居值从常规O位点的-0.64和W位点的-0.57急剧下降至HEAO-Ov-W构型的-0.45，明确证明强表面相互作用大量占据水分子反键轨道，从电子学角度从根本上削弱了分子内氢键，严重破坏了解离的动力学势垒。

电荷密度差图和相应结构模型显示（图4g-4i），在能量优化的HEAO-Ov-W构型中，界面电荷发生显著再分布，0.759 e⁻直接从极化HEAO缺陷表面转移至水分子。在这种显著电子扰动和大量电荷注入驱动下，分子几何发生严重扭曲，分子内H-O键从标准表面的1.053 Å物理拉伸至1.209 Å。这种结构变形作为非对称推-拉剪切机制的确切物理证据，明确展示了光热诱导局域微电场如何充当主剪切力切割预活化水分子。

图4| (a) W 4f的原位XPS谱图；(b) O 1s的原位XPS谱图；(c) HEAO-O、HEAO-W、HEAO-O-W的吸附能；(d-f) 不同模型的晶体轨道哈密顿布居分析；(g-i) HEAO-O、HEAO-W、HEAO-O-W的氢键长度和电荷密度差DFT计算。

蒸发性能与海水淡化应用

时间依赖水质量损失曲线显示出严格线性质量损失轮廓，表明快速、连续、稳态的蒸汽生成过程。逐步性能演化证实了集成结构与化学设计的有效性：从纯水的0.51 kg m⁻² h⁻¹和基准CH的2.9 kg m⁻² h⁻¹，优化后的Janus CHH蒸发器最终维持4.02 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率。值得注意的是，这一特殊蒸发速率超越了单一材料内部能力的线性叠加，归因于所提出的能量-质量中继机制——底部水凝胶作为连续质量传输通道供给预活化中间水至高度极化HEAO表面，而非对称动力学剪切在W-Ov协同位点执行。

在海水淡化实际应用中，CHH蒸发器在宽盐度范围内展现出卓越的耐盐性。当盐浓度从海水（3.5 wt%）增加至浓盐水（20 wt%）时，蒸发速率仍保持在2.93-3.38 kg m⁻² h⁻¹的高水平（图5a、5b）。在真实海水中连续运行15天，蒸发速率无明显衰减，表面无可见盐积累（图5c）。这种优异稳定性归因于Janus架构的非平衡工作原理——HEAO层确保高效界面水活化的同时，底部水凝胶泵保证连续快速水更新，结合向下浓度扩散，形成动态溶解-扩散机制持续将潜在积累的盐离子从界面冲刷回主体水体，在蒸发前沿维持相对低的局域盐浓度动态非平衡态，从根本阻止了盐结晶。与已报道的各类蒸发器相比（图5d-5f），CHH在蒸发速率和耐盐性方面均展现出显著优势。经15天连续海水蒸发测试后，水凝胶成功保持其分级互连的三维多孔网络，无明显结构塌陷、解聚或过度溶胀迹象。

户外实验于2026年1月8日在成都理工大学进行，蒸发速率与自然太阳光强度同步波动，午间最强太阳辐射0.84 kW m⁻²时最高蒸发速率达2.98 kg m⁻² h⁻¹（图5g）。连续15天淡水收集实验表明，该蒸发器每天可产淡水约3.7 kg（图5h），ICP-MS检测显示收集淡水中各离子浓度均低于8 mg L⁻¹。15天连续户外测试后的电子顺磁共振谱仍显示出g=2.003处强而清晰的对称信号——氧空位中捕获电子的经典指纹，证实了高浓度氧空位被内在保留而无明显缺陷愈合，归因于超快闪蒸焦耳热法合成将这些亚稳态缺陷深度锁定于刚性高熵晶格中。

图5| (a) 不同盐浓度下的蒸发速率；(b) 不同盐浓度下的离子去除率；(c) 15天连续海水蒸发稳定性测试；(d-f) 不同文献报道的蒸发器性能对比；(g) 户外蒸发实验蒸发速率与太阳辐射强度随时间变化；(h) 15天户外淡水收集量。

总结与展望

本研究成功开发了一种Janus结构的CHH蒸发器，通过新型能量-质量中继机制从根本上克服了传统太阳能海水淡化的动力学和热力学瓶颈。热力学上，水凝胶网络预活化主体水，向蒸发表面供给松散键合的中间水团簇；动力学上，光热诱导的高熵氧化物缺陷位点微电场大量占据捕获水分子的反键轨道，将分子内O-H键拉伸至1.209 Å，大幅降低相变能垒。该工作不仅为实际淡水生产提供了一个高度可扩展、稳健、高效的平台，更重要的是建立了新的材料设计范式——将热力学流体管理与原子级动力学加速协同，推动界面太阳能蒸发的物理极限。这种焓-熵协同策略为下一代高效、耐盐太阳能蒸发器的理性设计开辟了新方向，对缓解全球水资源短缺具有重要的科学意义和应用价值。