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

  近期，香港城市大學王彬課題組研發出的植物啟發的梯度孔結構氣凝膠（Plant-inspired gradient-pore aerogel, PGA），成功解決了該二擇一困境。PGA 的設計靈感源自植物高效水分傳輸與蒸騰的物理結構機制。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的通量，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毛細力，促進水分的蒸騰作用，同時降低水分蒸發所需的能量。

  受此啟發，研究團隊通過冷凍鑄造技術巧妙構建了孔徑沿高度方向變化的梯度結構，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管，能夠快速吸收水分，并借助大孔到小孔的梯度變化，促進水分在材料內部快速傳輸；頂部小孔徑（約 2μm）則類似于植物葉片上的微小氣孔，能夠有效降低蒸發焓，使得水分能夠在消耗較少能量的情況下轉化為水蒸氣。這種模仿植物 “局部功能匹配的孔徑分布” 理念，打破了傳統多孔材料基蒸發器中快速水傳輸與低蒸發焓之間的矛盾，實現了兩者兼優無犧牲的協同提升。

圖1. MOF@TO-CNF 梯度孔隙氣凝膠蒸發器的制備方法

  在 1 個太陽光照的標準測試條件下，PGA 蒸發器展現出高效的蒸發速率（3.60 kg?m?2?h?1），太陽能-蒸汽轉換效率達到98.34%，性能數據優于多數已報道的界面蒸發。該蒸發器具有良好的抗鹽沉積和發電性能，能夠自行去除積鹽并產生74.2 mV的電壓，串聯后可點亮LED燈。搭建海水淡化系統，10 小時產水 6.8 kg?m^?2，水質符合 WHO 標準；串聯蒸發器可點亮 LED，展現多功能協同潛力。

圖2. MOF@TO-CNF 梯度孔隙氣凝膠蒸發器的蒸發性能

  相關研究成果發表于化學工程領域的國際期刊《Chemical Engineering Journal》，論文第一作者為香港城市大學博士生李澤榮，通訊作者為香港城市大學王彬教授。該工作得到了國家自然科學基金（52375299, 52002090），廣西自然科學基金（2025GXNSFAA069698）和中央高校基本科研業務費專項資金（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）

【通訊作者簡介】

  王彬，加州大學圣地亞哥分校博士，現香港城市大學機械工程學系助理教授，仿生微結構強韌化與仿生功能材料設計研發。歡迎有壓電鐵電物理及電化學基礎且勤奮好學/熱愛研究的同學申讀博士研究生，來信請至：bwang55@cityu.edu.hk。