蒸发材料丨慕尼黑工业大学 AFM论文丨空间解耦加热与蒸发用于对流增强的三维太阳能蒸发及连续盐收集

2026年3月，国际期刊《Advanced Functional Materials》在线发表了慕尼黑工业大学热力学研究所题为“Spatially Decoupling Heating and Evaporation for Convection-Enhanced 3D Solar Evaporation With Continuous Salt Harvesting”的研究性论文。本文阐述了底部加热的三维太阳能对流蒸发器（SCE）用于高效太阳能海水淡化与高盐卤水资源回收，核心叙事不是单点材料性能，而是用“结构—机制—性能”把空间解耦策略（加热区与蒸发区分离）统一到一条可比较、可复用、可工程化的逻辑链条中，并给出自然对流增强蒸发与底部盐结晶的关键作用机制（底部光热加热诱导自然对流、侧壁蒸发冷却提取环境能量、盐分重力下沉与毛细回溶）与代表性高性能案例（蒸发速率较2D设计提升82.8%，可在17.5 wt.%高盐卤水中连续运行）。《Advanced Functional Materials》是Wiley旗下期刊，该期刊2025-2026最新影响因子为19.0（2024年数据），主要刊登材料科学领域（包括功能材料、纳米技术、能源材料、生物材料等）的研究成果，属于中科院材料科学1区、小类化学综合1区、物理化学1区期刊。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.76375

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高效且可规模化的太阳能蒸发系统对于可持续海水淡化和卤水资源回收至关重要。然而，传统策略面临材料集成约束：材料必须同时承担太阳能吸收、流体传输和蒸发功能。这种耦合难以在实现高蒸发速率的同时兼顾连续盐收集，限制了长期稳定性，并且忽视了三维结构中侧壁蒸发的潜力。在此，我们提出了一种底部加热的三维太阳能对流蒸发器（SCE），将加热过程与蒸发过程在空间上解耦。该设计利用底部光热加热诱导自然对流，从而增强侧壁加热并促进高效蒸汽排出。通过这种协同作用，在柱高仅为半径3倍的条件下，SCE的蒸发速率比相同太阳能加热面积下的二维设计高出82.8%；当加热半径超过柱半径2倍时，其在实验室条件下优于传统三维系统。重要的是，这种解耦结构还将盐结晶限制在底部而非蒸发表面，从而能够在海水及高达17.5 wt.%的高盐卤水中连续运行。这项工作展示了一种简单且可规模化的方法，用于高效太阳能海水淡化和高盐卤水管理。

全球淡水短缺与能源需求增长推动了太阳能驱动海水淡化、卤水资源回收等技术的发展。传统二维太阳能界面蒸发器将光热吸收、热绝缘和水传输三种功能集成于单一材料，但蒸发速率受限于有限的顶面面积，难以规模化，且水绕过绝缘层会导致干涸，而增加水通道虽改善供水却加剧热损失。三维太阳能蒸发器通过侧壁蒸发突破了这一限制，侧壁温度低于环境温度，可在避免向水体散热的同时提取环境能量增强蒸发，其几何结构还能构建光热加热区与低温蒸发区共存的空间布局，诱导自然对流以强化蒸汽排出。然而，当前三维设计仍继承二维系统的根本约束：表面均匀涂覆光热材料，迫使单一组分同时管理太阳能吸收、水传输和蒸发，这既限制了自然对流的增强（同一表面既吸热又蒸发冷却，无法产生足够温升驱动强对流），也未能充分利用侧壁蒸发潜力。此外，光热材料需同时满足高效水传输、高太阳能吸收和耐盐耐候等严苛要求，集成难度大；且无论二维还是三维蒸发器，在含盐水中运行时盐分会在整个表面结晶，降低光吸收和蒸发速率。现有盐收集设计如伞形蒸发器虽可自动脱盐，但规模化时供水不足；侧壁结晶设计则严重削弱光吸收。因此，亟需一种能够解耦加热与蒸发功能、同时实现高效侧壁蒸发和连续盐收集的新架构。

1、空间解耦架构设计

2、发性能显著提升

3、连续盐收集与高盐卤水稳定运行

图 1：三维太阳能对流蒸发系统示意图。

图 1 不同太阳能蒸发器的示意图。(a) 三维对流式蒸发器与典型三维太阳能界面蒸发器。(b) 三维太阳能蒸发器（3D SCE）的加热机制示意图。(c) 三维太阳能蒸发器周围气流的纹影图像。(d) 三维太阳能蒸发器的横截面图及其关键结构参数。(e) 加热环上涂覆的黑色丙烯酸涂料的 SEM 图像。(f) 在 1 个太阳辐照度下，湿润（蒸发）表面与干燥（光热）表面的平均表面温度。(g) 不同太阳能蒸发器的结构及其对应热成像图。

图 2 太阳能模拟器下蒸发性能的对比。(a) 不同蒸发器类型的蒸发速率。顶面半径 r 为 0.8 cm，三维高度 h 为 3r；加热半径 R 取为 √2r，以使顶面面积与加热环面积相等。(b) 不同蒸发器类型的整体水温。(c) 加热半径对三维 SCE 性能的影响（h 为 3r）。(d) 蒸发器高度对三维 SCE 性能的影响（R 固定为 3.5 cm）。(e) 不同高度下的暗环境蒸发性能。(f) 蒸发柱半径对蒸发速率的影响（h 为 3r，R 固定为 3.5 cm）。

图 3 不同蒸发柱高度下三维太阳对流蒸发模拟结果。(a)侧壁周围湿空气的速度场；(b)温度场；(c)相对湿度分布图。

图 4 阳光下室外蒸发试验。(a)置于热力学研究所屋顶的三台太阳能蒸发器的照片。(b)正午时分蒸发器的红外热成像图。(c)10 小时内的室外蒸发性能曲线。(d)试验期间的太阳辐照度与环境温度。

图5 不同氯化钠浓度下的盐收率性能。(a)加热环（内径：2 cm）与蒸发柱（直径：1.6 cm）间留有2 mm间隙时，3.5 wt.%氯化钠溶液的蒸发情况。(b)无间隙条件下，3.5 wt.%氯化钠溶液的蒸发情况。(c)从17.5 wt.%至21 wt.%氯化钠溶液中盐析出的进程。(d)17.5 wt.%与21 wt.%氯化钠溶液的蒸发性能。(e)蒸发后盐分的分布。(f)实际海水蒸发实验。

图 6 底部盐分采集与生长的机制。(a) 蒸发柱底部盐分沉淀示意图。(b) 采集到的盐簇的 SEM 图像。(c) 蓝色染色水向采集到的盐簇中的扩散过程。

本工作通过在一个三维对流蒸发器中将加热与蒸发在空间上解耦，展示了一种基于架构设计的太阳能蒸发策略。3D SCE设计通过底部加热诱导的自然对流增强侧壁蒸发，同时将盐结晶从活跃的蒸发表面解耦。通过将加热区与蒸发区隔离，干态加热表面达到更高温度，驱动更强的自然对流和更高效的蒸汽排出。在柱高为半径三倍的条件下，3D SCE的蒸发速率比传统2D SIE高出82.8%；当加热半径超过柱半径两倍时，其性能优于标准3D SIE。在含盐条件下，盐结晶被限制在底部区域而非蒸发表面，从而能够在海水及高达17.5 wt.%的高盐卤水中连续运行。本工作展示了一种简单且可规模化的三维太阳能蒸发设计，将增强的对流蒸发与有效的盐管理相结合，为实际应用提供了指导。

Ma, X., Zhao, Y., Yan, Y., Amjad, M., Yao, G., Gao, H., Wei, S., & Wen, D. 2026. Spatially Decoupling Heating and Evaporation for Convection-Enhanced 3D Solar Evaporation With Continuous Salt Harvesting. Advanced Functional Materials, 36, adfm76375. https://doi.org/10.1002/adfm.2026076375

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资料整理：雷幸悦（阳光净水）

编辑：环境与能源功能材料

雷幸悦（阳光净水课题组）

【资料整理】雷幸悦：资源与环境硕士研究生，在TOP一区期刊CEJ发表论文1篇。

阳光净水课题组：主要研究方向为生物质基环境功能材料、太阳能蒸发材料、磁性吸附材料、污染物吸附和环境催化反应机理。课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

壳聚糖丨纤维素丨MOF材料丨石墨烯丨碳纳米管丨MXenes丨硫化钼丨催化材料丨蒸发材料丨吸附材料丨电极材料丨除磷材料丨产氢材料

2025年9月，国际TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的综述性论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述多功能和可持续壳聚糖基界面蒸发材料在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本文总结了壳聚糖基太阳能界面蒸发器（CS-SIE）四种类型（水凝胶、气凝胶、海绵和膜）、五种改性材料和在水污染控制中应用。最后，总结了CS-SIEs在际应用中仍面临挑战。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用，最新中科院分区：8.50/二区TOP期刊。

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