青岛大学张宪胜&东华大学陈志钢等: 集成供热/保温型垂直通道水凝胶纤维蒸发器用于连续太阳能海水淡化

Hydrogel Fiber Evaporator with Vertical Channels Integrated with Dual Heat Supply/Insulation Model for Continuous Solar Desalination

Tian Wang, Shuai Gao, Yongli Yu, Zhigang Chen*, Lili Wang*, Xiansheng Zhang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 261

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02120-z

本文亮点

1. 垂直构筑，多尺度孔隙：提出“湿法纺丝水凝胶纤维辅助定向排列(HFCA)”策略，实现水凝胶纤维集合体的垂直化构筑，打造纤维间大尺度间隙与纤维内小尺度孔隙的跨尺度多孔结构，显著强化虹吸效应与水传输能力，同时赋予蒸发器优异的耐盐、抗油污与自清洁特性。

2. 创新模型，能量革新：在3D蒸发器中引入“供热/保温模型”，突破传统3D蒸发器侧面单一冷蒸发模式，实现3D蒸发器侧面冷/热协同蒸发的新范式，构建正净能量平衡，解决了立体蒸发器热阻隔与热捕获的矛盾，实现了侧面蒸发模式的优化与能量最大化利用。

研究背景

太阳能驱动界面蒸发技术因绿色、低能耗的优势成为研究热点，而水凝胶凭借三维聚合物网络结构，能降低水的蒸发焓、提升热能利用效率，是该技术中蒸发器的理想基底材料。然而，现有水凝胶蒸发器仍面临两大关键科学瓶颈：一是水传输通道垂直化程度不足，聚合物链的随机排列与无序缠结形成不规则弯曲孔道，不仅限制水传输能力，还易引发盐积累，降低系统效率与稳定性；二是能量利用模式存在局限，传统主流的“隔热模型”虽能减少热损失，却忽视了3D蒸发器高比表面积的特点和侧面暗蒸发的蒸汽逸出潜力，严重阻碍了立体蒸发器从散装水及散装水从外界环境中获取额外能量。因此，在三维蒸发器中构筑高度垂直的孔隙结构和新型热量传递/吸收模型，有望实现水凝胶基立体蒸发器的性能突破。此外，提升其在含油、高盐等实际复杂水质中的适配性，也是其走向实用化的重要研究方向。

内容简介

针对水凝胶蒸发器通道垂直化不足、蒸发系统能量利用效率低等核心问题，青岛大学/东华大学团队跳出传统设计框架，从结构构筑与能量管理双维度提出创新解决方案，开发出兼具高效能量利用与优异实用性能的3D水凝胶纤维蒸发器。团队提出HFCA策略，以刚性链海藻酸钙/MXene为凝胶基体，利用物理-化学双重交联网络构筑高强韧水凝胶纤维，再利用约束取向力实现纤维的高垂直化排列，成功构建纤维间大尺度垂直间隙、纤维内小尺度多孔的跨尺度结构，大幅强化了蒸发器的虹吸效应与水传输能力，为高效蒸发和耐盐性能奠定结构基础。同时，团队摒弃单一隔热思路，创新设计“供热/保温模型”，采用蜂巢牛津布作为供热层加热散装水，多孔泡沫作为保温层包裹水体减少热损失，实现3D蒸发器侧面冷/热协同蒸发新模式，最大化挖掘太阳能与环境能量的利用潜力，实现蒸发系统的正净能量平衡。该蒸发器依托独特的结构设计与能量模型，展现出卓越的耐盐、抗油污、自清洁特性，在实际海水淡化中实现高效脱盐，为太阳能海水淡化技术的实用化发展提供了全新思路，也为水凝胶材料在能量利用领域的应用开辟了新方向。

图文导读

I 双策协同：构筑垂直结构+创新能量模型

如图1所示，研究通过“湿法纺丝+约束取向”双步工艺与“供热/保温”能量模型的协同设计，实现蒸发器结构与性能的双重突破。以藻酸盐/MXene为原料，采用湿法纺丝工艺、Ca²⁺物理交联与戊二醛化学交联，制备出高强度、高韧性的双交联水凝胶纤维；进一步通过聚乙烯圆环施加可控束缚力作用，将纤维排列组装成垂直取向的水凝胶纤维蒸发器，海藻水凝胶纤维的刚性链段(G段)和物理-化学互穿交联网络保证了刚性水凝胶纤维在外力作用下的高度垂直排列，构建出纤维间大尺度垂直间隙与纤维内小尺度孔道的多级孔隙结构。在能量管理上，创新设计“供热/保温模型”，在立体蒸发器和散装水之间引入可吸收太阳光“黑色蜂巢牛津布供热层”，牛津布供热层与散装水直接接触，高效吸收太阳能并转化为热能加热散装水，同时为蒸发器和散装水提供热量。在高温散装水容器外引入“泡沫保温层”，避免高温散装水的热量损失。高温散装水为蒸发器底部提供热能实现立体蒸发器侧面热蒸发，而蒸发过程中的热损失使蒸发器部分区域温度低于环境温度，进而捕获环境能量实现冷蒸发，最终达成蒸发器侧面冷/热协同蒸发的新模式。

图1. 具有高度垂直和多级孔隙结构的水凝胶纤维蒸发器及“供热/保温模型”。

II 结构制胜：多尺度孔道的界面特性与水传输优势

图2系统揭示了HFCA蒸发器的多尺度结构特征与界面作用机制。约束取向力使水凝胶纤维规则紧密排列，形成尺寸均匀且可调控的纤维间大尺度垂直间隙，而纤维内部因制备工艺形成20-110 μm的微孔与1-15 μm的孔壁结构，跨尺度孔结构为水传输提供了高效通道。同时，MXene与藻酸盐之间形成氢键作用，使MXene在水凝胶基质中均匀分散，不仅提升了蒸发器的光吸收能力，还进一步强化了水凝胶的机械性能，让蒸发器在长期使用中保持结构稳定。超亲水的表面特性使水滴与蒸发器接触后瞬间被吸收，而多尺度孔道带来的强虹吸效应，结合最优孔隙率的精准调控，让水体在蒸发器中实现高效、快速的垂直传输，为连续稳定蒸发提供了关键保障，也为盐回流、抗污染奠定了结构基础。

图2. HFCA蒸发器的多尺度结构。

III 热管理革新：“供热/保温模型”的能量平衡与侧面冷/热协同蒸发

图3展现了HFCA蒸发器的水传输、热管理与能量利用机制。MXene的引入让HFCA蒸发器实现宽光谱的高效光吸收，配合优异的光热转换性能，使蒸发器表面能快速实现热能聚集；而高垂直化的孔道结构形成了各向异性的热传导特性，热能沿垂直方向优先向蒸发界面聚集，减少横向热损失，实现优异的热局域性。“供热/保温模型”的构建则让蒸发器突破了传统能量利用的局限，供热层为散装水补充热能，保温层减少热损耗，使蒸发器从高温散装水捕获热能实现热蒸发，同时从环境中吸收能量实现冷蒸发。采用COMSOL Multiphysics有限元模拟技术研究了蒸发器的压力分布与温度场，基于达西定律和多孔介质流体传热理论进行了流速与传热模拟。其模拟结果在压力趋势和温度空间分布上与实验结果具有一致性。合理设计的垂直通道及相邻纤维间距对促进蒸发器的水分输送和光热转换至关重要。这种能量利用模式不仅解决了传统“隔热模型”的能量浪费问题，还充分激活了3D蒸发器的侧面蒸发潜力，实现了能量利用效率的最大化。

图3. HFCA蒸发器的水传输与热管理。

IV 热效优化：“供热/保温模型”的能量平衡与蒸发性能

图4展示了HFCA蒸发器集成“供热/保温模型”具有降低蒸发焓和提高热能利用效率的独特优势，通过独特的能量管理逻辑提升蒸发效能。水凝胶基质本身可降低水的蒸发焓，而MXene的引入进一步通过竞争氢键作用弱化聚合物-水氢键网络，促进中间水形成，减少蒸发潜热，提升热能利用效率。在能量平衡方面，模型中供热层加热散装水、保温层减少热损失，使蒸发器侧面形成冷/热协同蒸发模式。对比传统单一的“隔热模型”(3.62 kg m⁻² h⁻¹)和“供热模型”(5.49 kg m⁻² h⁻¹)，“供热/保温模型”的HFCA蒸发器同在3 cm高度下的蒸发速率高达8.09 kg m⁻² h⁻¹，呈现显著优势，体现了高温散装水为蒸发器供能实现热蒸发的优越性(备注：计算蒸发速率的面积为圆柱形水凝胶纤维阵列蒸发器的垂直投影面积)。这种设计使蒸发器在运行中获得正净能量收益，在延长高蒸发速率维持时间、低太阳辐照强度下保持高蒸发速率等方面具有明显优势。此外，蒸发器依托高垂直化孔道结构，通过浓度梯度与马兰戈尼效应实现高效盐回流，避免盐结晶堆积，展现出优异的耐盐稳定性与自清洁能力。

图4. 基于“供热/隔热”模型的蒸发器蒸发性能。

V 实用赋能：复杂场景适配与应用潜力

图5展示了HFCA蒸发器结合“供热/保温模型”在实际场景中的实用性能与拓展潜力。户外海水淡化测试中，其能充分利用斜射阳光增加受光面积，结合散装水热量累积，实现高效连续蒸发；对海水中主要阳离子的脱除率达三个数量级，产水水质符合世界卫生组织饮用水标准，可直接用于作物育苗与细胞培养，验证了产水的高纯度与安全性。在抗污染方面，蒸发器凭借表面极性基团形成的水层屏障，具备优异的水下疏油特性，能有效抵御油类污染物，同时可高效脱除染料类杂质，适配多种复杂恶劣水质。制备工艺上，基于工业化湿纺技术实现水凝胶纤维的连续化生产，为了充分发挥侧面冷/热蒸发模式及高比表面积的特点，可通过阵列式组装拓展蒸发面积，形成模块化配置。

图5. HFCA蒸发器的应用。

VI 总结

本研究提出“湿法纺丝水凝胶纤维约束取向”策略，成功构建出高垂直化多尺度孔道的3D水凝胶纤维蒸发器，从结构层面解决了传统水凝胶蒸发器水传输能力不足、易盐积累的问题；同时创新“供热/保温模型”，突破立体蒸发器传统单一冷蒸发模式，实现蒸发器侧面冷/热协同蒸发，构建正净能量平衡，从能量管理层面最大化挖掘了3D蒸发器的太阳能与环境能量利用潜力，解决了热阻隔与热捕获的核心矛盾。

该蒸发器凭借独特的结构设计，展现出优异的水传输、热局域与光热转换性能，同时兼具卓越的耐盐、抗油污、自清洁特性，在实际海水环境中实现高效脱盐，产水水质达国际饮用水标准。其制备工艺基于高度工业化的湿纺技术，兼具简便性、可控性与规模化潜力，还可通过阵列式组装实现蒸发规模的拓展。

这一研究在水凝胶蒸发器的通道垂直化构筑与能量利用最大化方面实现了双重突破，为太阳能海水淡化技术的实用化发展提供了全新的设计思路。这些多功能概念还将推动水凝胶材料、可穿戴传感器和海水淡化技术领域的变革性发展及广泛关注。

作者简介

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

如果文章对您有帮助，可以与别人分享！：Nano-Micro Letters » 青岛大学张宪胜&东华大学陈志钢等: 集成供热/保温型垂直通道水凝胶纤维蒸发器用于连续太阳能海水淡化