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  太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)憑借高效、可持續(xù)等優(yōu)勢，有望成為緩解全球淡水危機(jī)的有效方法；其中基于多孔材料的界面蒸發(fā)器研發(fā)備受矚目。然而，該技術(shù)長期面臨著一個棘手的難題：增快水傳輸速率和降低蒸發(fā)焓分別可提高蒸發(fā)器效率，但增快水傳輸與降低蒸發(fā)焓對材料孔徑的要求相互沖突，往往需要犧牲一方以實現(xiàn)另一方。大孔雖利于水快速傳輸，無法有效降低蒸發(fā)焓；小孔能降低蒸發(fā)時的能量需求，卻會阻礙水的傳輸速度。這一矛盾嚴(yán)重限制了太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)的性能提升與廣泛應(yīng)用。那么，如何解決界面蒸發(fā)器中快速水傳輸（需大孔徑）與低蒸發(fā)焓（需小孔徑）之間固有的孔徑需求矛盾，避免已有蒸發(fā)器采用的“折中策略” 導(dǎo)致的性能損失？

  近期，香港城市大學(xué)王彬課題組研發(fā)出的植物啟發(fā)的梯度孔結(jié)構(gòu)氣凝膠（Plant-inspired gradient-pore aerogel, PGA），成功解決了該二擇一困境。PGA 的設(shè)計靈感源自植物高效水分傳輸與蒸騰的物理結(jié)構(gòu)機(jī)制。以桉樹等植物為例，其底部較大的孔徑能夠增大水向上傳輸?shù)耐�，保障水分快速輸送；而靠近葉片處較小的孔徑則有助于增強(qiáng)毛細(xì)力，促進(jìn)水分的蒸騰作用，同時降低水分蒸發(fā)所需的能量。

  受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊通過冷凍鑄造技術(shù)巧妙構(gòu)建了孔徑沿高度方向變化的梯度結(jié)構(gòu)，并在頂部噴涂 MXene 形成光熱層。其中，底部大孔徑（約 15μm）如同植物莖干底部的粗導(dǎo)管，能夠快速吸收水分，并借助大孔到小孔的梯度變化，促進(jìn)水分在材料內(nèi)部快速傳輸；頂部小孔徑（約 2μm）則類似于植物葉片上的微小氣孔，能夠有效降低蒸發(fā)焓，使得水分能夠在消耗較少能量的情況下轉(zhuǎn)化為水蒸氣。這種模仿植物 “局部功能匹配的孔徑分布” 理念，打破了傳統(tǒng)多孔材料基蒸發(fā)器中快速水傳輸與低蒸發(fā)焓之間的矛盾，實現(xiàn)了兩者兼優(yōu)無犧牲的協(xié)同提升。

圖1. MOF@TO-CNF 梯度孔隙氣凝膠蒸發(fā)器的制備方法

  在 1 個太陽光照的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，PGA 蒸發(fā)器展現(xiàn)出高效的蒸發(fā)速率（3.60 kg?m?2?h?1），太陽能-蒸汽轉(zhuǎn)換效率達(dá)到98.34%，性能數(shù)據(jù)優(yōu)于多數(shù)已報道的界面蒸發(fā)。該蒸發(fā)器具有良好的抗鹽沉積和發(fā)電性能，能夠自行去除積鹽并產(chǎn)生74.2 mV的電壓，串聯(lián)后可點亮LED燈。搭建海水淡化系統(tǒng)，10 小時產(chǎn)水 6.8 kg?m^?2，水質(zhì)符合 WHO 標(biāo)準(zhǔn)；串聯(lián)蒸發(fā)器可點亮 LED，展現(xiàn)多功能協(xié)同潛力。

圖2. MOF@TO-CNF 梯度孔隙氣凝膠蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能

  相關(guān)研究成果發(fā)表于化學(xué)工程領(lǐng)域的國際期刊《Chemical Engineering Journal》，論文第一作者為香港城市大學(xué)博士生李澤榮，通訊作者為香港城市大學(xué)王彬教授。該工作得到了國家自然科學(xué)基金（52375299, 52002090），廣西自然科學(xué)基金（2025GXNSFAA069698）和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金（3072025GH1001）的支持。

  論文詳情請見：

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165499

  https://authors.elsevier.com/c/1lOba4x7R2o9At（50天免費(fèi)）

【通訊作者簡介】

  王彬，加州大學(xué)圣地亞哥分校博士，現(xiàn)香港城市大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系助理教授，仿生微結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌化與仿生功能材料設(shè)計研發(fā)。歡迎有壓電鐵電物理及電化學(xué)基礎(chǔ)且勤奮好學(xué)/熱愛研究的同學(xué)申讀博士研究生，來信請至：bwang55@cityu.edu.hk。