汪浩教授团队在《Advanced Materials》发表重要综述：揭示非冷凝气体对太阳能驱动界面蒸发的影响机制

近日，龙虎斗-十大龙虎斗赌博网站 汪浩教授作为第一通讯作者，与第一作者穆罕默德·苏丹·伊尔沙德（Muhammad Sultan Irshad）博士——汪浩教授前博士后研究员、现任湖北大学助理教授——携手合作，在国际顶级学术期刊《Advanced Materials》（影响因子27.4）发表了题为“Impact of Noncondensable Gases on Solar‐Driven Evaporation”的重要综述论文。该论文系统阐述了非冷凝气体（NCGs）对太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术性能的影响机制，并为下一代高效稳定的太阳能淡水生产系统的设计提供了关键理论指导。

全景展示：水-能源-资源联产系统

论文图1展示了多功能SDIE系统的示意图。该系统可处理来自生活、工业和海水等不同来源的废水。太阳能在加热界面水，产生水蒸气的同时，也释放出NH₃、H₂S等气态副产品及非冷凝气体。这些气体在冷凝前被导入气体收集单元进行选择性分离，提取出的气体可被资源化利用：NH₃用于合成硝酸，H₂S用于生产硫酸，H₂则作为清洁能源。与此同时，净化后的水蒸气继续进入冷凝器，收集获得淡水。系统还可集成光伏板和风力发电机，实现离网运行和热电联产，适用于陆基及海上农业灌溉与海洋牧场等多种场景。这一全景图表明，非冷凝气体不仅是“麻烦”，若管理得当，也可转化为宝贵资源。

研究背景：太阳能界面蒸发技术的机遇与挑战

太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术通过光热材料将太阳能局域于空气-水界面，实现高效水蒸发，被认为是应对全球淡水短缺的极具前景的绿色低碳技术。近年来，碳黑、氧化石墨烯、碳纳米管、金属纳米颗粒、金属有机框架（MOFs）及导电聚合物等光热材料的飞速发展，已将SDIE系统的蒸发速率从约1 kg·m⁻²·h⁻¹提升至4 kg·m⁻²·h⁻¹以上，在可控条件下太阳能-蒸汽转换效率超过90%。

然而，随着系统性能逼近理论极限，非冷凝气体（如氮气、氧气和二氧化碳）的积累问题正成为制约SDIE技术走向实际应用的关键瓶颈。

核心发现：NCGs如何“偷走”效率？

研究团队系统揭示了非冷凝气体对SDIE性能的三大影响机制：

1.质量传递屏障，抑制蒸气扩散

NCGs在液-气界面富集，形成扩散主导的边界层，迫使水蒸气通过“停滞气层”扩散而非直接冷凝。研究表明，仅1%~2%（体积比）的空气即可使冷凝传热系数降低50%以上；当NCG质量分数从2%增至8%时，总传热系数下降约50%。

2.稀释效应，降低蒸气分压

根据道尔顿分压定律，NCGs占据系统总压的一部分，降低了水蒸气的有效分压，从而削弱了冷凝驱动力。实验证明，去除NCGs（如抽真空）可使蒸气通量提升三倍以上。

3.热绝缘效应，增加热阻

NCGs在冷凝界面形成的绝缘层阻碍热量向冷壁传递，导致局部温度升高、蒸发驱动力下降，形成“蒸发减缓→冷凝不足→NCGs进一步富集”的自增强循环。

应对策略：多层次缓解方案

论文系统总结了多种缓解策略及其作用机理和效果：

真空脱气：降低系统内NCG总质量，在 Geothermal 系统中可恢复高达40%的效率。

疏水透气膜：提供优先气体逃逸通道，减小有效边界层厚度，在连续运行中显著提升稳定性。

优化冷凝器几何结构（如孔板）：重新分布NCG积聚区域，避免局部堵塞，在多通道冷凝器中传热提升达87.8%。

入口湿度控制与预热：降低初始NCG质量分数，增加界面蒸气质量分数，每提高10%相对湿度可获得15%~25%的效率增益。

间歇吹扫循环：定期清除积累的NCGs，重置扩散边界层，保证变负荷下的稳定冷凝性能。

论文强调，没有单一方案能解决所有NCG问题，未来应发展混合策略，如被动通风与间歇真空吹扫相结合，或膜分离与优化腔体设计相融合。

学术价值与未来展望

该综述不仅基于动力学理论、边界层分析和扩散控制传质，建立了NCG影响的统一理论框架，还提出了标准化的NCG浓度报告方法和抗雾性能测试协议，为领域内的跨研究比较和技术转化奠定了基础。

汪浩教授团队提出未来研究重点包括：

先进诊断与建模：发展实时、高空间分辨的NCG浓度和气泡动力学测量技术（如微光极、同步辐射X射线成像与CFD结合）。

按需材料设计：开发能主动管理NCGs并维持选择性离子传输的膜和蒸发器结构，借鉴植物气孔等自然系统的自适应排气设计。

多过程协同：将NCG管理与光催化污染物降解、产氢等功能耦合，实现从“废气”到“资源”的转变。

全生命周期与经济性评估：权衡能耗代价、材料成本和运行复杂度，为不同应用场景提供决策依据。

作者介绍

该论文由来自中国、巴基斯坦、阿联酋和越南的多国学者合作完成。第一作者穆罕默德·苏丹·伊尔沙德（Muhammad Sultan Irshad）博士，曾于2022至2024年在汪浩教授课题组从事博士后研究工作，现为湖北大学新能源与电气工程龙虎斗 助理教授。双方在该领域的前期合作成果有：【Small, 2026, 22(10), 2506124】、【Advanced Functional Materials, 2025, 35(44), 2509989】、【Chemical Engineering Journal, 2024, 500, 157068】、 【Chemical Engineering Journal, 2023, 475, 146200】、【Advanced Functional Materials, 2023, 2304936】。

此外，湖北大学、巴基斯坦瓦赫大学、阿联酋阿布扎比大学、新疆工程龙虎斗 、东南大学及越南Phenikaa大学等机构的研究人员也参与了此项工作，体现了在可持续水-能源-资源联产技术领域的全球合作重要性。

论文信息：Irshad, M. S., Shakoor, B., Arshad, N., Ahmed, I., Fan, X., Li, W., ... & Wang, X. (2026). Impact of Noncondensable Gases on Solar‐Driven Evaporation. Advanced Materials. DOI: 10.1002/adma.73586

撰写：汪浩

排版：陈仕发

一审一校：任露洋

二审二校：马将

三审三校：郑纯