新南威尔士大学/西湖大学/江苏大学合作，最新Nature Sustainability：突破太阳能海水淡化瓶颈

太阳能蒸发新思路：从“吸更多光”到“让水更快脱附”

淡水短缺正成为全球日益严峻的资源挑战。面对储量巨大的海水资源，如何以更低能耗、更可持续的方式获得淡水，一直是水处理领域的重要课题。太阳能界面蒸发能够直接利用太阳能，在水体表面完成光热转换和水蒸发，因此近年来受到广泛关注。过去，人们提升蒸发性能主要围绕几个方向展开，例如提高材料的太阳光吸收、减少热量向体相水中的损失，或者通过三维结构扩大蒸发表面积。然而，当许多光热材料的太阳光吸收率已经超过90%后，继续单纯追求“吸收更多光”所能带来的提升越来越有限。相比之下，一个更加基础的问题却长期没有得到足够重视：水被加热之后，能否迅速从光热材料表面脱附并进入气相？水分子如果与材料表面结合过强，同样会成为限制蒸发速度的重要瓶颈。

针对这一问题，新南威尔士大学储德韦教授、Tao Wan联合江苏大学刘云建和西湖大学汤剑波将研究重点从“如何吸收更多能量”转向“如何让水分子更容易离开界面”，构筑了由氧化石墨烯（GO）和共晶镓铟液态金属（EGaIn）组成的双相光热异质结构。EGaIn表面天然形成的Ga₂O₃氧化层能够与GO上的含氧官能团发生配位作用，从而重新调节水—材料界面的相互作用，降低水分子脱附阻力。随后，研究人员将这种异质结构进一步引入具有多级水输运通道的PVA水凝胶，制得EGH太阳能蒸发器。3 mm厚的器件在1个太阳照射下蒸发速率最高达到3.64 kg m⁻² h⁻¹，太阳能—蒸汽转换效率为95.3%；当进一步提高蒸发器高径比后，蒸发速率可达7.54 kg m⁻² h⁻¹，转换效率达到96.2%。更重要的是，该体系还表现出良好的抗盐能力和长期户外运行稳定性。相关成果以“Accelerating water desorption at heterostructure interfaces for high-rate solar evaporation”为题发表在《Nature Sustainability》上，Tao Yin为第一作者。

研究首先从光热异质结构的构筑开始。作者利用GO作为固体分散和限域组分，通过超声将液态EGaIn破碎成直径约40–180 nm的纳米液滴，并使其嵌入GO片层之间，形成液相EGaIn与固相GO共存的双相结构（图1a–d）。元素分布显示，EGaIn纳米球外层富集Ga和O，说明其表面形成了一层无定形氧化物（图1e）。进一步结合Raman、FTIR和XPS分析，作者确认该表层主要为Ga₂O₃，同时发现Ga³⁺与GO上的羟基、羧基等含氧基团之间存在明显的配位和电荷转移作用（图1f–i）。这种界面结合并没有削弱材料的光热能力。相反，GO–EGaIn在250–2000 nm范围内保持了约89%的宽谱太阳光吸收（图1j），在1 sun照射下，其表面温度可在约175 s内升至44.5 ℃，比单独GO高约4.3 ℃（图1k）。也就是说，这一材料设计同时兼顾了“吸光”和“界面调控”两个方面，为后续快速蒸发打下了基础。

图1：GO–EGaIn双相光热异质结构的构筑与表征

真正的关键在于：GO–EGaIn为什么能让水更容易蒸发？为回答这一问题，作者构建了四种不同的水—材料界面模型，包括石墨烯表面、Ga₂O₃表面以及两种不同排列方式的GO/Ga₂O₃异质界面（图2a）。分子动力学模拟显示，引入无定形Ga₂O₃后，界面附近水分子的运动明显增强。其中Ga–C模型的均方根位移拟合斜率达到3.27×10⁻⁴ Å fs⁻¹，在四种模型中最高（图2b–d），说明这种界面最有利于水分子迁移和脱附。原位ATR–FTIR实验进一步给出了直接证据。随着光照进行，水的H–O–H弯曲振动和O–H伸缩振动信号逐渐减弱。GO–EGaIn在约8 min后就表现出接近干态材料的特征，而单独GO则需要超过10 min（图2e–g）。模拟与实验相互印证，说明GO–Ga₂O₃异质界面确实能够削弱水与材料表面的束缚，使水分子更快“逃离”界面。这也将太阳能蒸发的设计重点，从传统的“给水更多热量”进一步推进到“降低水离开表面的能垒”。

图2：异质界面促进水分子脱附

不过，高效蒸发不仅需要水“出得去”，还需要新的水“补得上”。因此，作者将GO–EGaIn嵌入PVA水凝胶，并通过结构调控构筑出由垂直取向主通道和分支微通道组成的多级输水网络（图3a–d）。较大的主通道负责依靠毛细作用快速向上供水，而细小的支路则促进水向蒸发表面扩散。EGH对水表现出快速润湿能力（图3e），能够持续为蒸发界面提供水源。这些微纳通道还改变了水在凝胶中的存在状态。水凝胶中的水通常可分为结合水、中间水和自由水，其中中间水形成的氢键更少，因此更容易蒸发。Raman结果显示，EGH中的中间水/自由水比例达到0.67，高于GOH的0.53和PVAH的0.26（图3f）。与此同时，EGH的宽谱光吸收率约为92%（图3g），1 sun下平衡表面温度达到34.9 ℃，也高于GOH的31.6 ℃和PVAH的25.7 ℃（图3h）。COMSOL模拟进一步显示，热量主要被限制在蒸发表面附近，减少了向体相水中的无效散失（图3i）。因此，EGH同时实现了快速供水、降低水蒸发能耗和有效热管理。

图3：EGH的多级输水结构与热管理

这些优势最终体现在蒸发性能上。在43%相对湿度和1 sun条件下，EGH的蒸发速率达到2.99 kg m⁻² h⁻¹，能量效率达到95.1%，明显高于PVAH和GOH（图4a、b）。在无光条件下，EGH仍表现出最高的自然蒸发速率，其等效汽化焓降低至1231 J g⁻¹（图4c、d），进一步说明材料内部水的蒸发能量需求得到了降低。同时，EGH的饱和含水量达到1.25 g g⁻¹，水传输速率约为0.05 g min⁻¹（图4e、f）。在真实海水以及不同浓度NaCl溶液中，EGH仍能保持稳定的蒸发表现（图4g）。当环境相对湿度降低至30%时，3 mm厚EGH的蒸发速率达到3.64 kg m⁻² h⁻¹，太阳能—蒸汽转换效率为95.3%（图4h、i）。进一步增加器件高度、将高径比提高至4.17后，蒸发速率进一步提升至7.54 kg m⁻² h⁻¹，效率达到96.2%，在已报道的太阳能界面蒸发体系中显示出较强竞争力（图4j）。

图4：EGH的太阳能界面蒸发性能

高蒸发速率之外，盐分积累同样是海水淡化能否长期运行的关键。模拟结果显示，EGH中的水首先沿垂直主通道快速向上输送，再通过分支微通道向周围扩散，其模拟水传输速度达到0.83 μm s⁻¹，高于PVAH和GOH（图5a–c）。在连续30天的循环测试中，EGH每天经历8 h模拟日照和随后的暗环境，整体蒸发性能几乎没有明显衰减，日间平均蒸发速率约为2.90 kg m⁻² h⁻¹（图5d–g）。更有意思的是，蒸发过程中即使表面逐渐出现盐晶体，进入暗环境后，这些盐也能够通过反向扩散重新溶解回体相水中（图5h、i）。这种“白天析盐、夜间回溶”的动态过程使蒸发表面能够恢复，为长期抗盐运行提供了保障。

图5：长期抗盐稳定性与水传输行为

最后，研究人员进一步将EGH组装成阵列式太阳能淡化装置，在自然阳光下直接处理真实海水（图6a）。户外测试中，系统能够持续产生并收集冷凝水，单日最高瞬时集水速率达到1.5 kg m⁻² h⁻¹（图6b）。淡化后，Na⁺、Mg²⁺、K⁺和Ca²⁺等主要离子浓度均显著下降，总体离子去除率约为99%（图6c）；所得纯化水的电阻明显高于海水和自来水，也从侧面反映出离子含量的大幅降低（图6d）。此外，该装置还能够处理含甲基橙的模拟污水，处理后450–750 nm范围内的特征吸收基本消失，水体由有色变为透明（图6e）。进一步的户外长期测试持续了60天，EGH阵列仍保持稳定工作。其中第50天在约10 h日照条件下，集水量达到12.4 L m⁻² d⁻¹。作者还使用收集到的淡化水培养豆芽，结果显示其能够支持植物正常生长，进一步验证了所得水的实际利用潜力。

图6：EGH阵列的户外海水淡化与水净化应用

小结

总体来看，这项工作的意义并不只是获得了一个较高的太阳能蒸发速率，更重要的是提出了一条新的材料设计思路：太阳能蒸发不仅取决于“吸收多少热”，还取决于“水分子能否快速离开界面”。通过GO–Ga₂O₃异质界面加快水分子脱附，再结合水凝胶中的多级供水通道、中间水调控和热局域化，研究实现了从吸光、供水到脱附的一体化协同。不过，作者也指出，目前系统的实际水收集效率相较传统水处理技术仍有提升空间，材料成本也需要进一步降低。未来，如果能够将这种界面脱附调控策略与更高效的蒸汽冷凝和集水结构结合，有望进一步推动太阳能界面淡化向规模化、低成本实际应用发展。