第一作者：郭阳
通讯作者：王娟
通讯单位：浙江大学环境与资源学院
图片摘要
成果简介
近日，浙江大学环境与资源学院王娟研究员课题组在Nature 发表了题为“Surface Oxygen Vacancy Engineering for Enhanced Volatile Organic Compounds Removal in Solar-Interfacial Water Evaporation”的研究论文。该研究针对太阳能界面蒸发淡水生产系统中长期存在的冷凝端散热受限、蒸发速率与实际产水率不匹配这一关键瓶颈，提出了一种“潜热蒸发冷却（Latent Heat-Assisted Evaporative Cooling, LHEC）”的新型被动式调控策略，用以普适性提升太阳能驱动淡水生产性能。研究指出，在封闭式太阳能界面蒸发体系中，蒸汽冷凝过程中释放的大量潜热若无法及时有效散除，将导致冷凝界面温度升高、局部湿度累积，进而削弱蒸发驱动力并限制最终淡水产率。基于此，研究团队创新性地利用水的相变潜热，将连续蒸发过程本身转化为高效冷却手段，从系统层面同时强化冷凝散热能力与蒸汽传质过程。以脱木质素天然木材为示范性LHEC基底，该材料依托其多尺度连通孔道结构，实现了稳定的毛细供水与持续蒸发冷却，同时具备低太阳吸收和高长波红外辐射特性，有效抑制寄生热积累。实验结果表明，引入LHEC策略后，系统冷凝端散热通量显著提升，并显著增强蒸汽由蒸发界面向冷凝界面的扩散速率，从而实现淡水生成效率的系统性提升。在标准太阳光照条件下，LHEC辅助的太阳能界面蒸发系统淡水产率相比传统结构提高超过30%，太阳能-淡水转化效率显著提升。此外，该LHEC基底具备“即插即用”特性，可无缝集成至多种太阳能界面蒸发与多级蒸馏结构中，在不同构型下均表现出一致的产水性能增益。本研究为突破太阳能淡水生产系统的冷凝限制提供了一种全被动、低成本、可扩展的解决方案，为高效、可持续的太阳能驱动淡水获取技术发展提供了新的研究范式。
引言
随着全球人口增长和气候变化加剧，清洁淡水资源短缺问题日益凸显，发展高效、低成本、可持续的淡水获取技术已成为环境与能源领域的重要研究方向。太阳能驱动界面蒸发技术因其能量来源清洁、系统结构简单且适应性强，在海水淡化与污水净化等方面展现出广阔应用前景。该技术通过将太阳能局域化转化为蒸发潜热，实现高效水蒸气生成，并有效阻隔盐分等非挥发性杂质。然而，尽管界面蒸发速率已得到显著提升，实际淡水产率仍普遍低于理论蒸发能力，其核心限制来自蒸汽冷凝过程中的散热不足。现有的环境对流冷却或被动辐射冷却策略在高温或复杂气候条件下易受环境因素制约，难以满足高效稳定运行需求。因此，发展一种可在不同环境条件下持续、高效释放冷凝热的被动调控策略，对于突破太阳能界面蒸发系统的产水瓶颈具有重要意义。基于此，充分挖掘水相变潜热在系统热管理中的作用，为太阳能淡水生产提供了一种新的研究思路。
图文导读
太阳能界面蒸发冷凝瓶颈分析及潜热蒸发冷却理论性能对比
图1封闭环境下太阳能驱动淡水生产所涉及的热耗散过程：(a) 封闭环境中太阳能驱动淡水生产过程示意图；(b) 闭环循环中太阳能界面蒸发及水冷凝收集焓湿图；(c) 环境冷却、被动日间辐射冷却与潜热蒸发冷却策略的对比示意图；(d) 不同冷却策略随冷却表面温度变化的冷却功率对比。
为了有效冷凝，水蒸气必须首先达到饱和。与通常在开放环境中进行的蒸发过程不同，蒸汽冷凝通常需要一个封闭的环境以实现蒸汽饱和（图1a）。然而，这种封闭环境不可避免地会增加太阳能蒸发器附近的相对湿度，从而削弱蒸发驱动力，进而降低蒸发通量。为了解决这个限制，冷凝过程中的高效散热可以降低周围环境温度，从而增加蒸发通量和最终淡水产量。如焓湿图中从蒸发到冷凝的封闭空气循环所示（图1b），与体积蒸发不同，界面太阳能蒸汽生成在更高温度下产生更多蒸汽。而且界面蒸发过程中蒸汽饱和过程（步骤3→4）和蒸汽到液体的相变过程（步骤4→1）中产生的热量显著大于传统的体积水加热系统，进一步放大了有效释放热量的需求。环境对流冷却由冷凝面与环境空气的温差驱动，通过空气对流释放冷凝热量。但在高温环境下，散热表面温度与环境温度之间的温差减小，从而导致冷却功率下降。被动辐射冷却通过在大气窗口（8-13 μm）范围内构建高发射率表面，使热量以辐射的方式穿过大气窗口向外太空辐射以实现冷却。然而该过程严重依赖大气窗口的透明度，在湿度较高的环境中或者多云等天气环境下，大气窗口透射率降低，导致辐射散热效果减弱 （图1c）。与上述两种冷却方式不同，潜热蒸发冷却技术通过毛细材料形成水润湿表面，利用环境中饱和水汽浓度与表面实际水汽浓度的梯度驱动水分蒸发，并借助蒸发过程中水分子相变所吸收的潜热实现冷却。较高的环境温度可提升环境空气中水蒸气的饱和浓度，反而从而有利于增强蒸发驱动力，从而提升蒸发冷却功率。通过理论计算证明，潜热蒸发冷却相比较上述冷却技术具有更高的散热表现（图1d）。
潜热蒸发冷却基底设计与性能表征
图2：（a）脱木素木材的宏观光学照片；（b, c, d）脱木素木材的横截面与纵向结构；（e）水毛细上升测试中脱木素木材的红外热成像图；（f）脱木素木材中多孔结构在0.3-2.5 μm太阳光谱范围内的散射效率计算；（g）脱木素木材与原始木材在湿润状态下全太阳光谱范围内的吸收谱；（h）脱木素木材与原始木材的傅里叶变换红外光谱；（i）湿润脱木素木材的长波红外发射谱，叠加30、40和50 °C黑体辐射曲线；（j）脱木素木材作为LHEC基底的功能示意图。
实现高效潜热蒸发冷却，冷却基底需满足三个关键标准：优异的毛细水传输能力、全太阳光谱低吸收率、以及良好的抗盐性能。基于这些需求，选择天然木材作为基材，并通过脱木质素处理增强其亲水性并降低光吸收。经处理后，木材呈现明显白色外观（图2a），表明其对可见光具有散射特性。SEM显示其具有多尺度通道网络（图2b-d），这些结构协同促进高效水传输和毛细上升（图2e），热红外图像表明其表面温度可降低4 °C，证明其适合作为潜热蒸发冷却基底。有限差分时域（FDTD）模拟表明，木材基底的多尺寸孔隙结构可以有效散热入射的太阳光（图2f）。太阳能吸收光谱测量（图2g）显示脱木质素木材吸收率仅0.11，低于天然木材0.46的吸收率，验证了该基底具有低太阳光吸收特性。傅里叶变换红外光谱（图2h）证实木质素被有效去除，并在1103 cm-1处出现C-O骨架键特征峰，该峰位于长波红外（LWIR）波段。发射率测量（图2i）显示基底在LWIR范围发射率高达0.96。理论计算指出，在典型30-50 °C冷凝面温度范围内，黑体辐射峰值与木材高发射波段重合，这支持其进行高效的辐射散热。
去木质素木基底的冷却性能评估
图3：（a）用于测量脱木素木材LHEC性能的自组装实验装置示意图;（b）脱木素木材在逐渐增加的热输入过程中有无太阳辐照时的LHEC功率曲线;（c）LHEC功率与总热输入的能量比随热输入变化的曲线;（d）脱木素木材与对照样品玻璃基底在不同热输入下的界面温度变化。
为了评估脱木质素木材作为潜热辅助蒸发冷却基底的性能，采用自主搭建的测试装置（图3a）对其蒸发散热能力和抗寄生热能力进行了综合评估。测试结果显示，稳态潜热蒸发冷却功率随热能输入增加而成比例提升，表明基底能通过潜热蒸发过程实现高效散热图（3b）。测量得到的蒸发冷却功率占比α值在0.8至~1.0之间保持相对稳定（图3c），说明整个散热过程主要由潜热蒸发冷却主导。这表明脱木质素木材可通过快速水传输持续支撑蒸发散热，即使在高热负荷下也能稳定运行，凸显了其高效散射太阳光、抵抗寄生热的能力。有效的散热可降低界面温。如图3d所示，LHEC基底的界面温度随热输入增加而缓慢上升，并在较高热负荷下趋于平缓。相比之下，作为太阳能界面蒸发系统常用冷凝材料的玻璃基底，其界面温度始终较高，且温差随热输入增大而更为显著。这些结果充分证明了脱木质素木材作为LHEC基底所具有的优异散热性能。
潜热蒸发冷却协助太阳能界面蒸发淡水生成性能与机理研究
图4：（a）装配去木质素木材LHEC基底的太阳能制水装置示意图；（b）比较裸玻璃表面与装配LHEC基底表面的稳态热通量对比；（c）有无LHEC辅助情况下，冷凝表面及生成水蒸气的温度变化对比；（d）有无LHEC辅助情况下，蒸发区域附近水蒸气浓度分布的模拟结果；（e）基于水蒸气浓度分布计算的蒸发表面蒸汽扩散通量；（f）有无LHEC辅助情况下的太阳能淡水产率对比；（g）LHEC在太阳能制水效率上的提升；（h）在不同冷凝模式下LHEC辅助的太阳能制水速率提升对比。
为评估木材基潜热辅助蒸发冷却基底对净水产量的提升效果，将其集成至太阳能界面蒸发系统中（图4a）。在不同辐照下，LHEC辅助装置的散热速率达到裸玻璃表面的约2.5倍（图4b）。温度监测显示，LHEC表面温度较普通玻璃持续低4-6 °C，使蒸汽与冷凝壁的温差从无LHEC协助的6.5-11.1 °C提升至10.0-16.4 °C，显著增强了冷凝传热驱动力（图4c）。COMSOL模拟进一步揭示，LHEC辅助装置内形成更陡的蒸汽浓度梯度（图4d），证明蒸汽扩散速率显著提高（图4e），表明LHEC辅助同步强化了蒸汽传质过程。在1 kW/m2辐照下，LHEC辅助装置的产水率达0.90 kg/m2/h，较无LHEC系统提升34.3%（图4f）。能量转换效率方面，无LHEC时效率约为45%，而LHEC系统在1.4 kW/m2下可达76%（图4g），且效率随辐照增强而提升。为验证普适性，将该基底与斜坡、倒置、疏水液滴冷凝、亲水薄膜冷凝、多级蒸发五种典型装置集成。所有系统产水率均获显著提升（图4h）。实验表明潜热蒸发冷却策略能通过强化散热与蒸汽传质双重机制，在不同系统设计中有效提升冷凝性能与产水效率，为太阳能界面淡水生产提供了高效、通用的解决方案。
潜热蒸发冷却协助太阳能界面蒸发的环境适应性与应用潜力评估
图5：（a, b）户外太阳能淡水生产实验现场照片;（c）晴天条件下LHEC辅助系统与裸玻璃系统的产水率对比;（d）在模拟海水环境中LHEC基底在持续热负荷下的散热稳定性测试;（e, f）海上漂浮式LHEC辅助系统实物图及其在海水条件下的户外产水性能;（g）原水与经LHEC系统净化后水样的离子浓度与总有机碳对比;（h）LHEC辅助系统与其他代表性冷却策略在太阳能产水效率方面的比较;（i）LHEC协助装置在一年运行周期内的经济性分析；（j）LHEC辅助太阳能蒸发策略在海上浮式淡化与野外应急取水等场景示意图。
为评估潜热辅助蒸发冷却策略的实际应用性能，在浙江大学紫金港校区进行了为期四个月的户外实验（图5a-b）。在不同天气条件下，LHEC辅助装置的产水性能均优于普通玻璃装置。晴天时（太阳辐照约0.9 kW/m2），LHEC系统的峰值产水率达0.85 kg/m2/h，较普通装置提升约25%（图5c）。采用模拟海水进行了持续120小时的热耗散稳定性测试。在1 kW/m2的恒定热负荷下，木材基LHEC基底保持稳定热耗散通量，且性能无衰减（图5d）。进一步将LHEC辅助装置漂浮于海水进行户外测试（图5e），在峰值辐照约1.1 kW/m2条件下，系统最大产水率达1.08 kg/m2/h（图28f）。此外，以天然湖水和海水为原水的净化测试表明，产出淡水的盐离子浓度和总有机碳含量均显著降低，符合世界卫生组织饮用水标准（图5g）。与已报道的太阳能产水技术相比（图5h），LHEC辅助系统在保持结构简单的同时，实现了与之相当的产水效率。经济性分析显示（图5i），在一年运行周期中，仅需增加12.7%的材料与维护投入，即可获得35%的淡水产量提升，从而使每升水的成本降低18.2%。综上，木材基LHEC策略在产水效率、环境适应性、成本效益及便携性等方面均表现出色，具备良好的实际应用前景。
小结
太阳能界面水蒸发技术为缓解淡水资源短缺提供了可持续解决方案，但蒸汽冷凝过程中的散热受限长期制约着系统整体产水效率。本研究提出了一种基于水相变潜热的潜热蒸发冷却策略，通过将持续蒸发过程转化为高效被动冷却手段，显著增强冷凝端的热量释放能力，并协同促进蒸汽向冷凝界面的传质过程。以脱木质素天然木材作为示范性LHEC基底，该材料依托其多尺度连通孔道结构，实现稳定供水、持续蒸发冷却以及低寄生热积累，从系统层面提升淡水生成性能。该策略可在不同太阳辐照强度及多种装置构型下稳定提升淡水产率，并显著提高太阳能-淡水转化效率。同时，该策略具备良好的结构兼容性，可“即插即用”地集成至单级、多级及多种几何形式的太阳能界面蒸发系统中，展现出良好的普适性与工程应用潜力。本研究为突破太阳能淡水生产效率瓶颈提供了一种全被动、低成本且可扩展的新思路，对高效太阳能驱动淡水获取技术的发展具有重要意义。
通讯作者简介
王娟: 国家人才计划入选者，浙江省杰出青年人才项目获得者。浙江大学环境与资源学院博士生导师。围绕“污水零碳资源化”，以“基础研究→技术创新→工程应用”为工作思路，从事低碳环境功能材料开发及环境污染治理研究。重点聚焦太阳能/风能/环境热能驱动的高效界面集热式体系构筑及其在污水净化、海水淡化方面的应用，以及清洁能源驱动的原子/纳米级结构催化剂的构筑及其对水体中污染物的高效去除。重点开展具体工作包括：1) 光、热、催化多机制界面一体化零碳污水净化系统；2) 光能-环境热能联合驱动零碳污水蒸发装置；3) 高效界面零碳水资源综合利用体系。在包括Nature, Nature Materials, Nat. Commun.等国际顶级期刊上发表论文30余篇，总他引7000余次。获发明专利授权15件（中国+美国）。主持国家级项目5项，省级等其他项目7项。
第一作者：郭阳，男，博士研究生，现就读于浙江大学环境与资源学院。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66761-1
