与单一结构的蒸发器相比，具有定向/径向组合通道的水凝胶蒸发器已被证明可以协同利用定向通道的快速水运输及径向通道热约束能力强的优势，实现卓越的蒸发性能（Small 2025, 21, 2411780）。然而，在上述的复合结构中，其定向结构尺寸大小不可调，且微观和宏观尺度通道的尺寸如何同时影响水的输送和热传递，从而控制供水和热损失之间平衡的潜在机制尚不完全清楚。

近日，苏州大学纺织与服装工程学院程丝教授团队与齐鲁工业大学（山东省科学院）能源研究所张圣龙助理研究员合作，在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上发表题为“Effects of Microchannel/Macrochannel Configurations on the Evaporation Performance of Internal Vertical/External Radial Hydrogel Solar Evaporators: Experiments and Simulations Insights ”的研究成果。文章共同第一作者是苏州大学2022级研究生文勇和2023级研究生谭洁薇。通讯作者为程丝教授和张圣龙助理研究员。该研究通过精准调控内部定向垂直通道与外部径向结构的协同效应，成功制备出具有优异耐盐性与超高蒸发性能的复合水凝胶蒸发器。通过调整蒸发器内部定向垂直通道的尺寸，研究定向通道尺寸大小如何影响内部对流、热约束和整体蒸发性能。系统实验和数值模拟表明，内部的垂直微通道显著增强了对流水输运，而外部的径向结构有效地限制了热量扩散。在一个阳光照射下，尺寸优化后的定向/径向组合结构蒸发器最优可实现了5.01 kg m-2 h-1的蒸发速率及165.13%的蒸发效率。将定向结构的微通道进一步扩大到宏观垂直通道会放大对流效应，将蒸发速率进一步提高到8.60 kg m-2 h-1。研究结果表明精细平衡微观和宏观尺度通道结构可同时优化水运输和热约束，为设计高性能水凝胶蒸发器提供了新的指导方针。

图1 a）PMS-As制备流程。b）PMS-A顶部的数码照片。c）PMS-A俯视图的SEM图像。d）PMS-A纵截面的数码照片。e）PMS-A的俯视SEM图像。f，g）PMS-A的侧视SEM图像。

结构设计创新：尺寸可调的定向+径向复合通道

研究团队通过冷冻铸造法构建了内部为垂直定向排列通道、外部为径向横向通道结构的aPAN/MXene/SA（PMS）水凝胶蒸发器（图1）。该结构不仅保留了垂直通道的高效水输运能力，还兼具径向结构的优异热约束性能，实现了水-热协同调控。

图2 a）PMS的光吸收光谱。b）在一个太阳光照下PMS-V、PMS-R、PMS-C-1、PMS-C-2、PMS-C-3蒸发器和纯水的表面温度变化。c）在1个太阳光照下，纯水、PMS-V、PMS-R和PMS-C系列（C-1至C-3）的质量变化，对照实验显示在黑暗条件下水的质量变化。d）在1个太阳光照下PMS-V、PMS-R、PMS-C-1、PMS-C-2和PMS-C-3的蒸发速率和蒸发效率。e）PMS-C-3中不同状态的水示意图包括自由水、中间水和结合水。f）PMS-C-3和纯水的蒸发焓对比。g）1个阳光照射下，PMS-C-3在不同浓度NaCl溶液下的蒸发性能。h）1个太阳光照下PMS-C-3蒸发器在3.5 wt.% NaCl溶液的蒸发速率随时间变化。i）PMS-C-3蒸发器在3.5 wt.% NaCl溶液中7天循环中的蒸发速率。

性能突破：蒸发速率与效率双高

在1太阳光照下，PMS-C-3（垂直区域直径1.0 cm）蒸发速率达5.01 kg m-2 h-1，蒸发效率为165.13%。

图3 PMS水凝胶蒸发器的数值模拟。（a-e）水凝胶的示意图：（a）PMS-R；（b）PMS-C-1；（c）PMS-C-2；（d）PMS-C-3；（e）PMS-V。（f-j）模拟水平衡状态下的水压分布。：（f）PMS-R；（g）PMS-C-1；（h）PMS-C-2；（i）PMS-C-3；（j）PMS-V。（k-o）模拟热平衡状态下的流体流速与温度分布：（k）PMS-R；（l）PMS-C-1；（m）PMS-C-2；（n）PMS-C-3；（o）PMS-V。

机理分析：仿真+实验双验证

通过对PMS-R、PMS-C-1、PMS-C-2、PMS-C-3和PMS-V五种水凝胶蒸发器中的水压、流体流速和温度分布进行模拟（图3），阐明定向和径向通道在PMS复合水凝胶中实现稳定、高性能太阳能脱盐的关键作用。图3f-j表明随着垂直区域面积的扩大，水凝胶的整体逐渐形成更高的相对水压，表明定向结构显著提高了水的输送能力（PMS-V> PMS-C-3 > PMS-C-2 > PMS-C-1 > PMS-R）。此外，垂直设计还增强了蒸发界面处的热局部化，进一步加速了水的输送。如图3k-o所示，PMS-C系列中的流体流速呈现出一种独特的模式：流体沿着内部中心区域垂直向上移动，而一部分流动在上升前横向发散。值得注意的是，流速随着对齐区域的扩大而增加（PMS-V > PMS-C-3 > PMS-C-2 > PMS-C-1 > PMS-R）。模拟结果显示，尽管PMS-R的流体流动最慢，但其热损失最小（图3k-o），而PMS-C的热约束能力随着垂直区域的增加而变差。模拟结果与图2c-d中的实验结果一致，表明PMS-C结合了定向和径向结构的优点，且蒸发性能与蒸发器的水运输能力以及热约束能力之间的动态平衡息息相关。

图4 a）PMS-T-3的数码照片。b）PMS-T-1、PMS-T-2和PMS-T-3蒸发器在一个太阳光照下的表面温度变化和纯水的温度变化。c）PMS-T-1、PMS-T-2和PMS-T-3在1个太阳光照下1小时的质量变化。d）PMS-T-1、PMS-T-2和PMS-T-3在1个太阳光照下的蒸发率和蒸发效率。e）PMS-T-3蒸发器在1个太阳光照下对3.5 wt.% NaCl溶液的随时间变化的蒸发速率。f）在7天循环中测试的3.5 wt.% NaCl溶液中的蒸发速率。g）PMS-T-3在1次阳光照射下不同NaCl浓度下的蒸发性能。h）PMS-T-3去除重金属的整体性能。i）PMS-C-3和PMS-T-3水凝胶在1个太阳光照下的蒸发性能与之前报道的蒸发器对比。

性能突破：蒸发速率与效率双高

为进一步增强对流效应， 将微通道扩大为宏通道，构建管状蒸发器（PMS-T），随着空心区域直径增大，蒸发速率显著提升，PMS-T-3 蒸发速率提升至8.60 kg m-2 h-1，效率高达286.33%，显著优于多数已报道蒸发器。

优异耐盐性与稳定性：PMS-T-3在20 wt.%高盐水中仍保持 7.98 kg m-2 h-1的高蒸发速率；连续7天循环测试中性能稳定，无明显衰减；淡化后水质符合WHO标准（图4）。

图5。模拟不同结构蒸发器顶部的热对流。（a）无规通道的PMS、（b）PMS-R和（c）PMS-T-3。（d-f）不同空心尺寸的PMS-T水凝胶蒸发器数值模拟的示意图。（d）PMS-T-1、（e）PMS-T-2和（f）PMS-T-3（g-i）水凝胶在热平衡时的流体速度和温度分布模拟。（g）PMS-T-1、（h）PMS-T-2和（i）PMS-T-3。

机理深入：仿真+实验双验证

通过COMSOL多物理场仿真揭示了热对流、流体流速与温度场的协同作用机制（图5）。当PMS-R的中心“蒸发死区”被去除以形成宏观垂直通道时，热对流显著增强。模拟结果显示：径向结构的水凝胶有效地减少了蒸发死区对热对流的影响，去除蒸发死区会增强热对流，从而提高蒸发效率。增强的流动是由两种机制引起的：（1）空腔通道增大了实际蒸发面积，提高蒸发性能；（2）更强的热对流加速了空腔内壁的水蒸发。这些协同效应最终提高了整体蒸发速率，与实验观察结果一致。

图6 a）PMS-C-3蒸发器的自清洁能力。b、c）1个太阳光照射下，PMS-C-3和PMS-T-3在20 wt.% NaCl溶液中的抗盐性。d）复合式太阳能蒸发器蒸发过程中的水运输和抗盐机理示意图。e）管式太阳能蒸发器蒸发过程中的水运输、抗盐和热对流机理示意图。f）在1个太阳光照下，PMS-C-3和PMS-T-3与之前报告的蒸发器的抗盐性对比。

为评估PMS-C-3的抗盐性能，研究团队在其表面均匀沉积了0.4 g NaCl晶体，并记录了它们的溶解过程（图6a）。在20 wt.% NaCl溶液中，PMS-C-3表现出优异的抗盐性，在15小时后才观察到表面结晶（图6b）。PMS-T的抗盐性略低，在10小时后发生结晶（图6c）。这些结果证实了垂直区域在提高水凝胶的整体抗盐性能方面的关键作用。PMS蒸发器系列的出色抗盐性源于两个协同的结构特征：（1）定向区域的垂直对齐通道使盐水能够以最短的路径输送到下层水（图6d-e）；（2）外部径向水平层次结构起到了低盐度离子转移界面的作用，显著缩短了顶部高盐度区和底部低盐度区之间的扩散距离。外部径向结构中具有微孔的薄片结构促进了相邻隔室之间的有效盐离子交换，有效地减轻了盐积聚压力（图6e）。此外，将PMS水凝胶系列在20 wt.% NaCl溶液中的盐沉淀时间与之前报道的蒸发器进行了比较，该水凝胶蒸发器具有明显的优势（图6f）。

总之，该研究成功制备了具有可调内部垂直通道与外部径向结构的太阳能界面蒸发器，系统探讨了中间微观垂直通道尺寸对其性能的调控作用。在1个太阳光照下，蒸发器（PMS-C-3）有着出色的5.01 kg m-2 h-1蒸发速率和165.13%的蒸发效率，即使在高浓度盐溶液中长时间运行后也能保持高性能。此外，进一步将微观通道扩大成宏观垂直通道，得到管式蒸发器（PMS-T-3），其蒸发速率和蒸发效率可达8.60 kg m-2 h-1和286.33%。实验和模拟结果表明，复合结构中垂直通道的尺寸增加显著提高了蒸发器的输水能力，以及能够最大限度地减少了热损失。这种显著的增强源于宏观垂直通道在蒸发过程中的积极参与，以及管状结构内加速蒸汽逸出的热对流。该研究为理解蒸发器内水传输与热管理的平衡机制提供了重要见解，并强调了通道尺寸调控在优化蒸发器整体性能中的关键作用。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202519509