摘要：太阳能界面蒸发技术因其高效的太阳能转换效率及在海水淡化等领域具有变革性的工业应用潜力而备受关注。然而，当前基于多孔基体结构的蒸发器在平衡高效流体界面传输与有效热局域化方面仍面临根本性挑战。
太阳能界面蒸发技术因其高效的太阳能转换效率及在海水淡化等领域具有变革性的工业应用潜力而备受关注。然而，当前基于多孔基体结构的蒸发器在平衡高效流体界面传输与有效热局域化方面仍面临根本性挑战。
为解决这一问题，四川大学赵长生团队王杰民副研究员、北理工长三角研究院安盟研究员联合美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授提出一种轻质、柔性、单层流体类二极管膜蒸发器（FDMs）的策略与设计，通过模板法结合相分离策略制备其两侧分别具有规则排列的大孔和致密的纳米孔的聚醚砜超结构膜。这种精细的微结构通过构建大孔至纳米孔方向的非对称通道，实现了类二极管定向输水功能，同时在纳米孔侧形成有效热局域化，展现出普适性优势。实验表明，该蒸发器在1倍太阳光强下最高蒸发速率可达3.82 kg·m⁻²·h⁻¹，性能超越多数二维及三维蒸发器。此外，通过耐盐性测试、多种污染物净化实验及户外评估验证了蒸发器的耐久性和实用性。值得注意的是，流体类二极管膜的结构设计与输水优化也为水伏发电应用提供了潜力，其串联器件在常温环境下可产生超过1.6 V的电压。这项工作为设计适用于环境与能源领域的高性能单层膜提供了创新思路。
该研究以题为“Spatially regulated water-heat transport by fluidic diode membrane for efficient solar-powered desalination and electricity generation”的论文发表在最新一期《Nature Communications》上。
基于水分子在限制孔道内的“棘轮效应”（ratchet effect），首先通过分子模拟，证明梯度孔结构中存在的熵垒梯度能够诱导水分子自发地从孔径较大的地方向孔径较小的地方运动。从而提出可通过结构设计优化，利用二极管效应来提升太阳能界面蒸发性能（图1）。
图1.流体二极管膜FDM的概念提出
接着，通过开创相分离结合模板组装法（PCTA）制备了具有多层级梯度孔道结构的超结构聚醚砜单层膜。（图2）
图2.FDMs的制备过程和结构性能表征
接下来从表面润湿行为、水接触角、抗重力水运输等方面，结合宏观和微观观察验证了FDMs的类二极管水运输行为（图3）。
图3.FDMs展现出类二极管水运输行为
FDMs独特的多层级孔结构和类似水二极管的定向水运输特性造就了其优异的蒸发性能，在1-sun强度下可以达到2.03kg·m-2·h-1的蒸发速率，和94.54%的能量转换效率。此外，为了突破二维蒸发器的有限的蒸发面积对蒸发速率的限制，通过进一步优化蒸发构型，将膜倾斜放置构建3D蒸发装置，不仅使得空间资源利用率最大化，还使蒸发速率突破进一步提升至最高3.82 kg·m-2·h-1（图4）。
图4.FDMs系列蒸发器的光热转换和纯水蒸发性能
FDMs系列蒸发器具有优异的耐久性和抗盐稳定性，并且对染料、海水、重金属离子等具有光谱净化能力（图5）。
图5.模拟海水淡化性能
最后，研究人员还研究了FDMs蒸发器协同水伏发电的潜在应用。通过在膜夹在两张ITP-PET薄膜电极，可以检测到超过200mV的输出电压，并且通过串联的方式可以将电压提升至1.6V。此外，通过电容器可以将这些电能收集起来，从而支撑电子元件的工作（图6）。
图6.水伏发电应用拓展
值得一提的是，本文的第一作者是四川大学生物医学工程学院22级硕士生曹远航，其指导老师王杰民副研究员为共同一作兼通讯作者，四川大学赵长生教授，北理工长三角研究院安盟研究员,以及德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授为共同通讯作者。此研究也特别感谢关炜馨博士，河海大学李政通教授以及四川大学孙树东教授的讨论与建议。
总之，该研究通过简便的PCTA策略设计了一类柔性且坚固的流体二极管膜（FDMs）。该超结构设计通过拓扑不对称性与多级孔结构的协同作用，实现了对水分传输行为的精准调控。在界面太阳能驱动蒸发（ISE）应用中，FDM-2-P-AD展现出卓越性能，在1倍太阳光强下蒸发速率最高达3.82 kg·m⁻²·h⁻¹，蒸发效率达94.54%，性能指标远超现有膜蒸发器。优异的耐久性、耐盐性及污染物净化能力，结合户外测试验证了其工程实用性。此外，FDMs-AD构型的类二极管输水特性可进一步放大水伏效应实现发电功能，其串联装置在常温环境下可产生超1.6 V电压。通过采用低成本耐用模板、微图案化精密控制及铸膜-相分离-脱模工艺集成，PCTA策略的工业化生产路径值得期待。本研究不仅解决了膜蒸发器中水分供给与热局域化的平衡难题，同时规避了多层蒸发器的界面问题，为开发面向环境与能源应用的高性能膜材料提供了新范式。
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来源：小王讲科学
