文献前沿| Nature communications：多胞元结构调控高盐界面蒸发与定向盐结晶

随着淡水短缺和高盐废水问题加剧，太阳能界面蒸发因低能耗和分布式水处理潜力受到关注，但现有蒸发器多采用随机多孔结构，结构参数与水输运、热传递及盐结晶之间的关系尚不清晰，在高蒸发通量和高盐度条件下仍面临供水不足、热损失和盐沉积等问题。文章利用高分辨率3D打印构筑具有不同晶格单胞的多胞元太阳能蒸发器，并通过石墨涂覆和氧等离子体处理赋予其光热转换和亲水输水能力，系统研究液–固接触周长、孔隙率和有效热传递面积对毛细供水与蒸发性能的影响。在此基础上进一步调控蒸发器高度以增强侧向蒸发和环境热利用，并将不同蒸发特性的单胞组合构筑空间蒸发速率梯度，引导盐分向指定区域迁移和结晶，最终实现高盐条件下的持续高效蒸发、盐晶体空间定位与零液体排放，同时验证了该结构在户外淡水制备和污染物去除中的应用潜力。相关工作以Multicellular architectures for high-rate solar evaporation with spatial salt crystallization under high-salinity为题发表在Nature Communications期刊。

该工作首先提出构建可编程单胞结构构筑多胞元太阳能蒸发器的设计理念（图1）。随后通过石墨涂覆和氧等离子体处理赋予结构宽光谱吸收与亲水性，并表征其表面化学、光学吸收和光热转换性能（图2）。接着比较不同单胞的液–固接触周长、孔隙率和毛细上升行为，明确几何结构对水输运的调控作用（图3）。在此基础上考察单胞类型和蒸发器高度对蒸发性能的影响，揭示有效热传递面积、侧向蒸发及环境热吸收对高蒸发速率的贡献，并验证其高盐条件下的稳定运行和湿盐晶体辅助蒸发机制（图4）。随后将高、低蒸发速率单胞组合，构筑空间蒸发通量梯度，引导盐离子向预定区域迁移并实现局域结晶和盐回收（图5）。最后通过户外淡化实验验证其淡水产出和水质净化能力，并与已有3D打印太阳能蒸发器进行性能比较，体现该几何结构设计在实际水处理中的应用潜力（图6）。

图1.多胞元太阳能蒸发器（Multicellular solar evaporators，MSE）整体设计及工作原理示意图。

图2.多胞元太阳能蒸发器的制备与表面性质。（A）MSE制备过程示意图。（B）石墨涂覆前后多胞元结构的光学图像及相应接触角，表明其表面由疏水性转变为亲水性。（C）涂覆前后样品的傅里叶变换红外（FTIR）光谱。（D）多胞元结构的紫外–可见–近红外（UV–Vis–NIR）吸收光谱，并与全球大气质量1.5太阳光谱（AM 1.5G）进行比较。（E）未涂覆和涂覆后多胞元结构在干态、1 sun照射下的红外热成像图。（F）未涂覆和涂覆后多胞元结构在1 sun照射下的温度随时间变化。

图3.单胞几何结构对水输运的影响。（A）不同单胞结构的几何特征。（B）各类单胞的完整视图和剖面视图，展示其内部结构。（C）i）单胞在不同高度处的横截面图，展示液–固接触周长；ii–iii）单胞内部液–固接触周长随高度变化的定量曲线。（D）单列多胞元结构中的毛细上升行为：i）实验装置示意图；ii）不同时间下的水分上升图像。（E）不同单胞几何结构的孔隙率、平均接触周长及最大毛细上升高度的对比分析。

图4.不同MSE的蒸发性能。（A）蒸发性能测试装置：i）暴露高度为0 cm；ii）具有可控暴露高度的测试状态。（B）暴露高度为0 cm时，不同单胞结构MSE的蒸发速率。（C）暴露高度为0 cm时的温度随时间变化曲线，插图为蒸发达到平衡状态时的红外热成像图。（D）FBCC-+ MSE蒸发速率随蒸发器高度的变化。（E）蒸发过程中FBCC-+_5不同位置的时间平均温度分布，以及初始状态和1 sun照射下的红外热成像图；误差棒表示以1 min为间隔测得温度的标准差。（F）FBCC-+_5在不同NaCl浓度下的蒸发速率。（G）20 wt% NaCl条件下的长期蒸发稳定性，插图为红色数据点对应时刻的光学图像。（H）盐晶体中的水输运维持持续蒸发：i）运行60 h后的FBCC-+_5；ii）水输运机制示意图；iii）内部被润湿的盐晶体；iv）盐覆盖条件下的红外热成像图。（I）20 wt% NaCl条件下三个盐回收循环过程中的蒸发性能，插图为各循环的平均蒸发速率。

图5.几何结构调控的盐晶体空间定位。（A）i）组合式单胞结构示意图；ii）由几何结构依赖的蒸发速率所诱导的扩散驱动盐分定向富集与结晶示意图。（B）组合式结构在初始状态及20 wt% NaCl中运行6 h后的光学图像，对比BCC和FBCC-+表面的盐结晶情况。（C）浓度梯度与离子输运通量的数值模拟结果，箭头表示离子输运方向。（D）组合式杯状蒸发器的几何结构。（E）组合式杯状结构中的模拟离子浓度分布及输运通量，箭头表示离子输运方向。（F）组合式杯状蒸发器在不同NaCl浓度下的蒸发速率。（G）20 wt% NaCl条件下的长期运行稳定性，插图为红色数据点对应时刻的光学图像，显示盐在指定区域的局域化积累。（H）不同高盐度溶液条件下的蒸发性能。

图6.户外淡水生产与水净化性能。（A）封闭式太阳能海水淡化装置的示意图和实物照片，所有蒸发器的暴露高度均为50 mm。（B）不同实验日蒸发器的户外淡水产量及对应的日平均太阳辐照强度。（C）第2天记录的太阳辐照强度和环境温度随时间变化曲线。（D）模拟海水与收集净化水中的离子浓度，虚线表示世界卫生组织（WHO）饮用水标准。（E）本研究淡水产量与已报道太阳能蒸发系统的比较，红色五角星表示本研究。（F）在室内1 sun照射条件下，以初始浓度为5 mg L⁻¹的不同染料溶液进行净化，根据收集净化水确定染料去除效率；该实验未测定蒸发速率。

小结：本文区别于依赖复杂材料设计的界面蒸发研究，重点从几何结构本身出发，通过3D打印构筑不同晶格单胞，系统研究液–固接触周长、孔隙率和有效热传递面积对毛细供水与蒸发性能的影响。优化后的FBCC-+_5结构在1 sun下蒸发速率达到6.90 kg m⁻² h⁻¹，并借助侧向蒸发进一步利用环境热量。随后将高蒸发速率的FBCC-+单胞与低蒸发速率的BCC单胞进行组合，利用空间蒸发速率差驱动盐分迁移，使盐晶体集中在预设区域，在20 wt% NaCl中连续运行5.5 d，盐回收率达到97.49%。户外淡化最高产水量达到47.7 kg m⁻² day⁻¹。该研究说明，在材料体系基本不变的情况下，仅通过可控几何结构设计即可同时改善供水、传热和盐管理，为太阳能界面蒸发器的结构优化提供了新的设计依据。

论文信息：

Son J Y, Choi Y, Liu X, et al. Multicellular architectures for high-rate solar evaporation with spatial salt crystallization under high-salinity[J]. Nature Communications, 2026.

https://doi.org/10.1038/s41467-026-75913-w

都看到这里了，关注一下吧^_^

声明：本文部分素材源自网络，版权归原作者所有。分享旨在促进信息传递与学术交流，不代表本公众号立场，如有不当，请联系我们处理。欢迎从事【太阳能综合利用/辐射制冷/微纳尺度传热】等相关领域学者分享您最新的研究工作，我们将竭诚为您免费推送，投稿邮箱：wangcunhai@ustb.edu.cn，微信：Cunhai_Wang (读者交流群也请添加此微信并注明姓名-单位-空天热辐射交流群).