海水淡化是缓解全球淡水资源短缺的重要途径。近年来，太阳能驱动界面蒸发（SDIE）因可实现精准热局域化而成为极具前景的技术路线。然而实际应用对其机械强度、耐腐蚀性与热稳定性提出了更高要求，传统材料难以满足，严重制约了SDIE的长期稳定运行。陶瓷材料凭借优异的环境稳定性和结构设计可调性，为解决上述挑战提供了关键路径。目前，陶瓷基SDIE已获得大量研究投入，展现出在海水淡化领域的巨大潜力。本综述系统总结了高性能陶瓷在两方面的近期进展：多孔基底与光热功能层。通过讨论陶瓷基底的设计策略，分析了多孔结构在实际工况下对蒸发性能的综合影响，重点关注了光热层中电子结构调控与形貌工程对性能的增强机制。此外，本综述明确了多尺度模拟在筛选合适带隙材料、降低蒸发焓以及优化水盐输运中的指导作用。研究人员还提出了可行的优化策略以应对长期稳定性不足的问题，推动SDIE从实验室研究向实际应用的转化。
本论文围绕高性能陶瓷在太阳能驱动界面蒸发（SDIE）中的应用展开系统综述，主体内容包括以下部分：
1. 引言
淡水是人类生存的核心自然资源，但人口增长、全球变暖与工业扩张加剧了淡水短缺，预计到2050年全球将有近60亿人面临淡水危机。海水占地球总水量约97.5%，少量利用即可显著缓解缺水问题，预计2030年全球海水淡化产能将突破每日2亿立方米。传统海水淡化技术如体积蒸发、纳米流体蒸发需加热整体水体，效率低下；热蒸馏与膜分离则依赖大型专用设备，技术复杂且维护成本高，难以适用于偏远地区。SDIE利用可再生太阳能，在气-液界面直接将太阳辐射转化为热能驱动水蒸发，兼具高效率、低能耗、低成本与环境友好等优势，且便携可扩展。2014年Chen等人首次提出由石墨烯与碳泡沫组成的双层界面蒸发器，上层石墨烯负责光热转换，下层碳泡沫隔热，亲水性棉芯通过毛细作用持续供水，实现热量在界面的精准局域化。典型SDIE系统主要由光热转换层与基底结构组成，基底可分为闭孔泡沫结合独立供水结构、亲水性多孔材料（如木材、水凝胶、多孔陶瓷）两类。光热转换层位于蒸发器顶部，需具备宽谱吸收与高光热转换效率，其性能与基底的协同决定了系统整体表现。尽管近年SDIE蒸发性能取得突破，部分体系在标准光照下的蒸发率甚至超过理论极限，但实际应用还要求材料具备长期稳定性、耐盐腐蚀性及结构鲁棒性。传统光热材料如碳基材料、等离子体金属纳米颗粒、导电聚合物虽效率高，但在长期运行中常面临结构稳定性差、耐盐腐蚀不足、成本高或高温失效等问题。陶瓷材料凭借本征热稳定性、化学惰性、机械强度与可精确调控的分级多孔结构，成为解决上述瓶颈的理想选择。多孔陶瓷（如氧化铝、二氧化硅）可作为理想基底平台，通过孔结构工程协同优化光吸收、水输运、隔热与抗盐结晶；功能陶瓷（包括钙钛矿氧化物、高熵陶瓷、过渡金属碳化物/硼化物）本身即可作为高效光热层，通过电子结构调控、形貌设计与异质界面工程进一步提升光热转换效率。例如，黑色多孔二氧化钛陶瓷一体化蒸发材料实现了1.72 kg·m–2·h–1的蒸发率，并在30次循环、高密度光照及强酸/碱浸泡中保持稳定；蜂窝陶瓷负载CuFeMnO4涂层同时实现高效蒸发与光芬顿催化降解挥发性有机物，含酚废水冷凝水中酚去除率达98.2%。本综述系统梳理陶瓷材料在SDIE中的研究进展，涵盖多孔陶瓷结构基底设计、光热陶瓷功能层性能调控及多尺度理论模拟的应用，并探讨陶瓷基界面蒸发器的未来发展方向，为构建高效、稳定、多功能的新一代蒸发系统提供理论指导。
2. 蒸发性能评价指标
光热材料的光学吸收能力涵盖吸收的太阳光谱范围与各波长吸收强度，高界面蒸发性能首先要求强太阳吸收与高效的光热转换。入射太阳辐照在材料表面发生反射、透射与吸收，共同决定太阳吸收比，进而影响光热转换过程，因此需最大化入射光吸收并最小化反射率与透射率。SDIE过程中，吸光层的光热转换行为主要由太阳吸收比与热发射率决定。理想SDIE系统应将所有转化的热能局域在蒸发界面用于水汽化，通常通过红外成像定性表征热局域化能力，但实际工况中不可避免存在能量损失，主要分为传导、辐射与对流三种形式。传导损失指热量沿蒸发器骨架向下传递至底层冷水或通过水体直接散失，可通过采用低导热材料与多孔结构最小化；辐射损失是物体因温度向外发射电磁波（主要为红外）的过程，与温度的四次方成正比，降低材料热发射率是减少此类损失的关键；对流损失是加热的蒸发表面向覆盖空气传热并被气流带走的过程，风速越高损失越大。SDIE的最终目标是实现高效海水蒸发，蒸发性能通常以蒸发速率与蒸发效率表征。蒸发速率定义为标准实验条件下单位时间单位投影蒸发面积的水质量损失；蒸发效率则需扣除暗态条件下的质量损失，结合相变总焓、光学聚光比与入射太阳能功率密度计算。除定量参数外，实际海水环境下的耐久性（包括结构稳定性、耐腐蚀性、耐候性与抗盐结晶性）通过循环稳定性测试与极端条件（高密度光照、高盐度、强酸/碱环境）性能评估；净水能力要求收集冷凝水中Na+、K+、Mg2+、Ca2+等主要金属离子浓度低于世界卫生组织饮用水标准；还需重点关注自然光照下的产水率以准确评价蒸发性能。综上，SDIE器件需在长期运行中维持有效光吸收与优异光热转换能力，这是对光热材料与整体蒸发器性能的综合考量。
3. 多孔陶瓷作为结构基底
实际SDIE过程中，基底材料不仅承受海水中盐离子的长期腐蚀，还需耐受风雨侵蚀、干湿交替与热胀冷缩引起的结构应力，因此理想基底需具备优异的机械强度、耐腐蚀性与水热稳定性。常用基底如木材与水凝胶在复杂环境中耐受性不足：水凝胶干燥后严重收缩，再水合后难以恢复原始结构，蒸发率仅为初始的一半；木材在模拟太阳光照下表面温度可达83.2 °C，热软化破坏多孔结构，二次使用时蒸发效率下降约46%。相比之下，多孔陶瓷基底表现出卓越的长期稳定性，例如Al2O3陶瓷在10次连续干湿循环后仍维持1.70 kg·m–2·h–1的蒸发率，在海水和20%（质量分数）盐水中稳定运行超40小时，证实了其重复使用潜力，常用陶瓷基底包括SiO2、SiC、Al2O3等。
3.1 孔结构设计与性能调控
陶瓷材料的本征稳定性仅为长期服役提供基础保障，作为界面蒸发基底还需满足两项关键功能需求：低导热以实现有效热局域化，良好润湿性以确保持续供水。这些性能的优化依赖于对多孔陶瓷骨架的精细设计。三维多孔结构诱导入射光的多次散射与反射，显著提升材料的表观太阳吸收比，研究表明孔径从50 nm增至400 nm时，光吸收增强，因更大孔径可将光引导至材料更深处。受向日葵向光行为启发，Lei等人制备了具有3D凹阵列结构的基底，结合本征多层网格状多孔结构，促进多次光反射，在280–2500 nm波长范围内平均光吸收比超过97%。在水输运方面，连通多孔结构的超亲水基底通过毛细作用将水抽提至顶部光热层，确保蒸发过程持续供水，根据杨-拉普拉斯方程，毛细压力与孔径成反比，更高孔隙率对应更小孔径与更密集的通道网络，可大幅提升水输运速率，最优基底（平均孔径0.2204 μm，孔隙率0.2855）实现了4.72 kg·m–2·h–1的蒸发率。水被限域在纳米孔内时，高比表面积提供丰富的固-液接触位点，水分子与孔壁的相互作用削弱氢键网络，从而降低蒸发焓并提升界面蒸发性能；垂直取向孔道相比无序或水平通道可有效缩短水分子逃逸路径，促进蒸汽快速释放并避免界面蒸汽饱和。在热管理方面，利用低导热陶瓷骨架构建空气填充孔结构，可有效将热量局域在蒸发表面，最小化向体相水的传导热损失，例如分级多孔Al2O3泡沫陶瓷的大孔亲水骨架促进快速水输运，毫米级孔道填充空气，导热系数低至0.022 W·m–1·K–1，远低于水的0.59 W·m–1·K–1，孔密度为5×10–5的样品蒸发率达2.99 kg·m–2·h–1，且在海水暴露21天与连续光照8小时后性能稳定，在20%（质量分数）盐水中结构与力学性能不变。导热各向异性可被策略性利用，实现蒸发表面快速热扩散同时有效抑制向下热损失，例如Sun等人利用3D打印挤出过程中的剪切力诱导BN纳米片在xy平面内定向排列，水平导热系数达2.73 W·m–1·K–1，结合垂直孔道内的空气隔热，面外导热系数仅0.47 W·m–1·K–1，各向异性比高达5.8，该蒸发器在1倍太阳光下蒸发率为5.43 kg·m–2·h–1，在20%（质量分数）盐水中稳定运行200小时。在抗盐结晶方面，多孔结构为扩散-对流策略提供物理基础，蒸发过程中盐离子迁移至表面积累，若未及时移除则会堵塞蒸发与水通道导致性能衰减。扩散-对流策略的核心是依靠盐浓度梯度驱动离子从高浓度蒸发表面回流至低浓度体相水，这高度依赖分级孔结构设计：微/纳米孔通过毛细力维持连续水相以提供扩散介质，毫米级孔为卤水快速回流提供低阻力通道，从蒸发表面到体相水的连续孔网络为离子沿浓度梯度的扩散提供物理路径，当向上盐输运速率与向下扩散速率达到动态平衡时，蒸发界面盐浓度趋于稳定，实现无盐结晶长期运行。研究表明，基于多尺度孔结构的蒸发器可在14%（质量分数）盐水中连续运行120小时无积盐，户外测试22天无盐沉积，充分证明孔结构工程在抗盐蒸发中的巨大潜力。综上，多孔陶瓷基底的光捕获、水输运、热管理与抗盐结晶性能并非孤立，而是通过孔结构紧密耦合，合理的孔结构设计（孔径、孔隙率、取向与连通性）可实现四者的协同优化，大孔保障高效光捕获与水盐对流，微孔贡献毛细力与降低蒸发焓，垂直通道促进热局域化与蒸汽逃逸，这种多尺度多功能集成为构建高效稳定蒸发器奠定坚实基础。
3.2 多孔陶瓷制备方法
优化的多孔骨架设计为提升陶瓷蒸发器综合性能指明了方向，但这些精密设计能否落地很大程度上取决于制备工艺的可行性与精度。传统制备方法包括部分烧结法、模板法、冷冻干燥法、溶胶-凝胶法与发泡法，随着材料加工发展，增材制造也逐渐应用于该领域。部分烧结法通过缩短加热时间或降低烧结温度防止完全致密化，依靠颗粒堆积形成多孔结构，工艺简单高效，但存在孔形貌不可控、孔径较小的缺点。模板法是最常用的多孔陶瓷制备策略，核心是将陶瓷浆料渗透或填充到多孔模板中，随后溶解或烧结去除模板以复制其特定多孔结构，分为软模板与硬模板：软模板利用表面活性剂或嵌段共聚物的自组装行为，可制备纳米级多孔陶瓷；硬模板可复制亚微米至数百微米的连通大孔，优势在于通过模板设计精确控制孔结构，模板选择灵活且孔径可调范围广，但模板去除过程易引发收缩与开裂，复杂多级孔结构制备仍具挑战。冷冻铸造以冰晶为模板，通过定向冷冻陶瓷浆料使溶剂（通常为水）结晶为定向生长的冰晶，真空升华后在烧结得到高取向、高孔隙率的多孔材料，可精确控制孔形状、尺寸与取向，适合制备垂直取向孔结构，但单向冷冻存在垂直于冷冻方向机械强度不足的缺陷，多向冷冻技术通过引入多个温度梯度可精确编程孔取向，并结合纤维增强可获得高强度、高孔隙率与可控孔高度的多孔陶瓷结构。溶胶-凝胶法通过前驱体在溶液中的水解缩聚形成溶胶，经胶体颗粒堆积凝胶化后热处理得到纳米级多孔材料，可实现分子级混合、成分均匀性与微观结构设计性强，但前驱体选择受限、干燥易开裂、本征力学性能差且大规模生产难度大。发泡法是在陶瓷浆料中添加发泡剂，利用物理过程或化学反应产生气体使浆料膨胀为泡沫结构，稳定化与烧结后得到开孔或闭孔的多孔材料，工艺简单且适合大规模生产，但发泡剂分解与气泡形成过程难以精确控制，易导致孔径与分布不均匀。增材制造利用计算机辅助设计通过逐层沉积构建复杂几何形状的多孔结构，无需额外支撑，可实现任意复杂形状的陶瓷制备，常见3D打印方法包括选择性激光烧结、直写成型、立体光刻与粘结剂喷射，能够制备具有复杂几何形状的多孔陶瓷，并可按需设计孔径与孔隙率，但存在力学性能差、烧结后变形与开裂等问题待解决。综上，多种制备技术实现了对多孔陶瓷基底孔径、孔隙率、取向与连通性的精确控制，推动了前述多尺度结构设计理念的成功实践。
4. 陶瓷材料作为光热层
多孔陶瓷基底通过精确孔结构设计为SDIE提供了稳定的物理平台，兼具高效水盐通道与优异热局域化能力，但太阳光捕获与转换仍依赖光热层本身的本征性质。理想光热材料应具备全太阳光谱宽带吸收、低热发射率与低导热系数，以实现高效光热转换与界面热局域化。从基础物理层面，光热陶瓷材料主要分为两类：一类是以带间跃迁为主的半导体陶瓷，通过带隙工程与缺陷调控拓宽光吸收范围；另一类是自由载流子主导的等离子体陶瓷，通过高浓度自由载流子的共振吸收实现高效光热转换。这两类材料不仅继承了陶瓷基底的本征多孔可设计性，还在稳定性上超越碳材料、聚合物与等离子体材料。
4.1 光热转换机制
半导体陶瓷中，当入射光能量超过带隙宽度时，价带电子被激发至导带，形成电子-空穴对。激发到导带高能级的电子可通过与晶格振动（声子）相互作用释放热量，弛豫至带边；弛豫至带边的电子-空穴对则通过辐射弛豫（发射光子）或非辐射弛豫（发射多个声子）返回基态，后者是光热转换的主要途径，光吸收范围由带隙宽度决定，光热转换效率则由载流子复合速率决定。代表性半导体陶瓷包括窄带隙氧化物/硫化物（如Fe3O4、Ti2O3、NiO、MoS2）、宽带隙氧化物（如TiO2、ZnO、WO3）与钙钛矿氧化物（ABO3型）。等离子体陶瓷中，当入射光频率与材料内自由载流子的集体振荡频率匹配时发生共振吸收，自由电子通过非辐射弛豫转化为高能载流子，进而通过与其他电子或晶格的相互作用将能量传递给周围环境，提升材料局部温度，光吸收带由载流子浓度决定，光热转换效率取决于共振强度与阻尼速率，代表材料包括过渡金属氮化物、碳化物与硼化物。部分陶瓷兼具带间跃迁与自由载流子吸收特征，典型为高熵陶瓷，多主元引起的化学无序导致带展宽与带尾形成，实现准连续宽带吸收。
4.2 光热性能增强策略
4.2.1 电子结构调控
无论何种机制，电子结构都是光热性能的“基因”。对于宽带隙氧化物，构建氧空位是最有效的光吸收调控策略之一，氧原子脱离晶格后留下的未成对电子局域在氧空位周围，在禁带中形成缺陷能级，为带隙下光吸收提供中间态，同时氧空位作为局域晶格畸变中心，破坏晶格周期势场，增强电子-晶格振动耦合，加速光热转换效率。元素掺杂是另一种常用策略，通过取代掺杂或间隙掺杂在禁带中引入缺陷能级，缩小带隙；掺杂原子与基体原子的尺寸失配诱导晶格畸变，增强电子-声子耦合；还可调节自由载流子浓度，提升近红外区自由载流子吸收。钙钛矿氧化物独特的ABO3结构为掺杂调控提供了理想平台，A位阳离子与12个氧原子配位稳定晶格框架，B位过渡金属离子占据BO6八面体中心，掺杂可同时激活三种机制：引入中间能级缩小带隙、晶格畸变改变局域电场分布增强振动吸收、混合价态增加自由载流子浓度强化近红外吸收。
自由载流子本身对光热性能也有独立贡献，根据Drude模型，自由载流子的光学行为由其等离子体频率决定，当入射光频率低于等离子体频率时，材料呈现高反射性；反之则光可穿透并被吸收。高载流子浓度对应高红外反射率（低热发射率），对减少辐射热损失至关重要。等离子体陶瓷中调控载流子浓度的策略包括：直接利用过渡金属独特的外层电子调控等离子体频率，例如多过渡金属氧化物FeCoNiCrOx因费米能级附近的3d电子降低等离子体频率，使更多低频光子参与光-电子耦合，实现紫外-可见-近红外强吸收；通过调控纳米颗粒的尺寸、形貌与聚集状态调谐局域表面等离子体共振（LSPR）峰位置，例如ZrC纳米颗粒的本征LSPR峰位于~500 nm，高负载成膜时颗粒团聚改变局部介电环境与增强颗粒间静电耦合，引起共振峰红移并激发多共振模式，实现300–1200 nm宽带吸收。新兴的MXene材料通过选择性刻蚀MAX相的A层获得，本征高载流子浓度赋予其金属导电性，内禀光热转换效率可达100%，表面丰富官能团还可改善稳定性与水输运性能。
高熵陶瓷通过多主元化学无序实现电子结构与热力学行为的双重调控，其原子尺度晶格畸变增强声子散射与光吸收，随机占位导致费米能级附近态密度展宽，实现连续带隙调控。例如HfZrTiTaMoBx-Ny吸收层通过双阴离子-阳离子掺杂策略，实现太阳吸收比93.6%、82 °C下热发射率11.3%，冬季户外测试中表面温度仍超60 °C，比非选择性吸收体高约20 °C，户外暴露一个月后光学性能几乎无衰减。高熵陶瓷的熵稳定效应与缓慢扩散效应赋予其在高温与长期服役条件下的优异稳定性，例如HfZrTiTaMoB涂层在400 °C真空退火5小时后吸收比下降小于2%，100小时长期测试后仍保持在89%以上；(FeCoNiCuCr)3O4/碳布蒸发器在3.5%（质量分数）盐水中连续运行30天，蒸发率稳定在2.467 kg·m–2·h–1，盐度提升至20%（质量分数）时仍维持2.036 kg·m–2·h–1，且在pH 3–11范围内性能稳定。
4.2.2 结构设计：从微观形貌到宏观构型
即使材料具有高本征吸收系数，若入射光在到达材料内部前被反射或透射，实际太阳吸收比仍会远低于理论值。微观形貌工程通过设计特定表面纹理诱导多次反射、散射或波导效应，延长有效光程并增加光吸收概率。构建由低维单元组装的分级结构（如纳米花、纳米阵列）是常用策略，可提供高比表面积与丰富活性位点，同时通过多次光散射增强光吸收，连通多孔网络保障快速水输运与蒸汽逃逸。例如NiO纳米针阵列实现96.5%的高光吸收率，1 kW/m2光照下蒸发率达1.78 kg·m–2·h–1；CuInS2纳米片阵列相比纳米花与球形纳米花，因更高比表面积与更多光反射，蒸发率与效率分别达1.55 kg·m–2·h–1与96%。中空球、纳米笼与核壳结构通过独特腔体设计与多层壳结构引入新性能维度，空腔内的多次光反射大幅提升吸收，壳组分灵活调控可实现光热转换与催化降解等功能集成，例如LaCoO3/MoS2蛋黄-壳结构在1倍太阳光下实现5.27 kg·m–2·h–1的超高速蒸发，同时可降解90%的苯酚。直接在材料表面构建微/纳纹理也是有效途径，例如硝酸选择性刻蚀Sm0.5Sr0.5CoO3–δ钙钛矿陶瓷，原位生成Co3O4纳米岛并形成纹理结构，紫外-可见-近红外区吸收率从64.4%提升至80.5%。
宏观三维构型则从热管理角度实现环境热能的被动捕获，传统二维蒸发器表面温度高于环境，能量输入仅为太阳辐照；三维蒸发器通过增大蒸发面积与增强空气对流，使表面温度低于环境，通过对流与辐射从周围环境被动吸收额外热量，总用于水汽化的能量超过入射太阳能，表观蒸发效率可超过100%，并不违反能量守恒，而是体现了蒸发器对太阳能与环境热能的协同利用。例如折叠式三维陶瓷毡蒸发器侧壁温度显著低于环境，蒸发率从1.43 kg·m–2·h–1提升至1.61 kg·m–2·h–1，表观效率达116%；拱形MoS2@ZIF-67/CC蒸发器在1倍太阳光下蒸发率达3.64 kg·m–2·h–1，表观效率高达174.64%。
4.2.3 异质界面工程
单相光热材料难以同时满足高效光热转换与多功能应用需求，构建异质结是有效解决途径。两种带结构不同的半导体材料紧密接触时形成内建电场，驱动光生电子与空穴反向迁移，有效抑制载流子复合，实现材料性能的多维度调控。异质结在SDIE中的作用主要包括两方面：一是通过调控能带结构、诱导相变与降低水蒸发焓增强光热转换，例如LaCoO3/MoS2异质结中MoS2的引入增加费米能级附近态密度并缩小带隙，1T-MoS2-MXene异质结诱导MoS2从2H相转变为1T相，窄带隙与非辐射复合效应显著提升光热转换能力，同时异质结与水分子的相互作用破坏氢键网络，降低水蒸发焓；二是通过促进光生载流子分离产生活性物种，实现光热蒸发与污染物降解的双重功能，机制包括通过能带排列（如II型或Z型）形成内建电场，或利用导电基底作为电子转移介质，例如β-In2S3/2H-MoS2异质结采用Z型复合机制，保留最强氧化还原能力，光催化降解速率常数是纯MoS2的4.2倍；La0.5Sr0.5CoO3–δ/CuO异质结中导电基底快速转移CuO的光生电子，瞬态光电流是纯La0.5Sr0.5CoO3–δ的3倍，甲基蓝降解率从82.7%提升至97.4%。异质结界面的晶格匹配、化学键合与内建电场共同决定电荷转移效率，是能带调控与载流子分离的材料基础。
5. SDIE系统的多尺度模拟策略
SDIE蒸发器的核心性能本质上取决于从原子尺度电子结构到宏观热质输运的多尺度物理过程，传统实验方法难以深入揭示性能背后的微观机制，多尺度模拟为此提供了有力工具。密度泛函理论（DFT）计算主要用于预测材料带结构与态密度以筛选宽带光吸收材料，以及揭示水分子与表面活性位点的电荷转移以阐明蒸发焓降低的电子起源，例如氧缺陷TiO2与Ti4O7的DFT计算表明，前者保留半导体特性，氧空位在导带底引入Ti 3d施主态缩小带隙；后者呈金属性行为，Ti 3d电子带穿过费米能级并形成平坦带，提供极高联合态密度，加速光激发热电子的非辐射弛豫，解释了其更高太阳吸收比与光热转换效率；高熵合金氧化物表面的DFT计算显示，同时具备高熵组分与氧空位的表面水吸附能达–2.3 eV，氧空位与多价金属位点协同拉长水分子O–H键并向其反键轨道注入电子，实现几何与电子双重活化，削弱界面水分子氢键网络，将表观蒸发焓从纯水的2450.0 J/g大幅降至1290.9 J/g。
分子动力学（MD）模拟在原子尺度揭示限域通道内或功能化表面上水分子的动态行为，包括氢键网络演化、质子转移与蒸发焓降低的微观动力学机制，将DFT的静态预测转化为动态过程的可视化与定量验证。例如λ-Ti3O5表面的从头算分子动力学（AIMD）模拟发现U型槽结构将水解离能垒降至0.06 eV以下，解离几乎自发，H3O+中间体频繁出现并促进水分子聚集成小簇，簇蒸发模式所需能量低于单个水分子蒸发，宏观上使蒸发焓从约2450 J/g降至1696 J/g，3D蒸发器实现6.09 kg·m–2·h–1的创纪录蒸发率；经典MD模拟验证1T MoS2-MXene异质界面比纯水与2H MoS2表面促进更多水分子逃逸，证实异质结构通过增强水分子与表面的相互作用更有效破坏氢键网络，加速蒸发。
时域有限差分（FDTD）法通过求解麦克斯韦方程组精确模拟不同形貌、尺寸与排列下光热材料在全光谱范围的吸收、反射与透射特性，为蒸发器微纳结构优化提供指导。例如高熵氮化物基双层选择性吸收涂层的FDTD模拟显示，短波吸收主要来自高金属含量层的内禀吸收，近红外区则依赖层间干涉增强，协同实现96%的太阳吸收比；TiN/TiO2中空纳米管阵列的FDTD模拟表明，TiN纳米颗粒的LSPR效应与TiO2纳米管的各级反射结构协同增强电场分布，在0°–60°宽入射角范围内吸收率保持在90%以上。
有限元法（FEM）构建蒸发器宏观几何模型，求解热传导、流体流动与固体力学方程，预测温度分布、盐浓度梯度、热应力与变形，为多孔结构优化与器件热管理提供指导。例如垂直取向通道气凝胶的COMSOL模拟显示，垂直通道将水输运所需流速降至0.73 μm/s，仅为各向同性无序通道的39%，取向通道在侧壁形成低至18.4 °C的低温区，通过自然对流与辐射被动捕获环境热能，蒸发效率提升至94.8%，在20%（质量分数）盐水中内部盐浓度始终低于NaCl饱和点；对称弧形调制气凝胶的FEM模拟优化了宏观几何与倾斜角，60°倾斜角下实现最均匀的表面温度分布，水速场模拟显示盐离子优先在两侧结晶，避免中央通道堵塞，该蒸发器在1倍太阳光下蒸发率达2.88 kg·m–2·h–1，能效超93%。FEM还可模拟应力场，例如柔性Al2O3/TiO2陶瓷纳米纤维毡中引入纳米球后，最大应力仅为传统结构的8.60%，实验制备的柔性纤维毡拉伸强度提升248%。
综上，多尺度模拟为实用化界面蒸发器设计建立了递进互补的理论逻辑：DFT筛选合适带隙与强分子活化能力的候选材料；AIMD或经典MD验证DFT预测的表面活性位点是否促进水分子逃逸并揭示蒸发焓降低的微观机制；FDTD优化微纳结构几何参数以实现宽带光吸收；FEM预测真实工况下蒸发器的温度场、盐浓度场与应力分布，指导水通道、隔热层、抗盐结构与宏观几何设计。这些跨尺度模拟方法共同构成完整的理论研究策略，推动SDIE领域从经验描述走向预测工程。
6. 结论与未来展望
本文系统综述了陶瓷材料在太阳能界面蒸发中的研究进展，聚焦其作为结构基底与光热功能层的双重角色，以及多尺度模拟在机制分析与结构优化中的应用，主要结论如下：（1）多孔陶瓷基底通过孔结构工程实现光捕获、水输运、热管理与抗盐结晶的多功能协同，孔尺寸、孔隙率、取向与连通性是决定关键性能的核心参数，发泡、模板、冷冻铸造与3D打印等技术实现了对这些参数的精确调控。（2）陶瓷光热层的性能优化可从三个维度开展：电子结构层面，氧空位与元素掺杂通过引入缺陷能级、诱导晶格畸变与调控载流子浓度协同拓宽光吸收范围并提升光热转换效率，高熵陶瓷进一步整合多主元固溶体的本征晶格畸变、可调带结构与载流子行为，体现“鸡尾酒效应”的独特优势；微观形貌层面，纳米阵列、中空结构与表面纹理的设计通过增强光散射、提高比表面积与降低蒸发焓显著提升蒸发性能；异质界面层面，II型、Z型与导电基底异质结的构建有效促进光生载流子分离迁移，实现光热增强与光催化降解的功能集成。（3）多尺度理论模拟为材料设计与机制研究提供了有力工具，DFT揭示缺陷与掺杂对电子结构的调控机制，分子动力学揭示原子尺度水分子与材料表面的相互作用，FDTD直观展示微纳结构内的光传播与吸收，有限元模拟优化蒸发器宏观热质输运，共同推动光热材料研究从经验试错走向理性设计。
尽管陶瓷基光热材料在界面蒸发领域已取得显著进展，但从实验室走向实际应用仍需应对诸多挑战，未来研究可向以下方向深化：（1）一体化设计。传统双层结构存在光热层与基底界面结合强度、热膨胀匹配及长期稳定性风险，未来应致力于使多孔陶瓷同时兼具高效光热转换与水输运功能，通过多尺度材料设计实现光吸收、热局域化、水输运与抗盐结晶的动态平衡，发展梯度功能材料、机器学习辅助设计与3D打印定制等方向。（2）光热蒸发技术的多功能应用场景。将光热蒸发与发电、催化、自清洁等技术集成，提升系统经济性与可持续性，例如在蒸发器顶部与底部插入纯铜电极，利用蒸发过程中离子的定向移动与静电效应协同发电。（3）动态环境下的长期稳定性。当前研究多聚焦稳态实验室条件下的性能优化，对真实海洋环境中的波浪冲刷、干湿循环与生物污损考虑不足，未来需建立更贴近实际的测试标准，开发具有自修复与抗生物污损功能的陶瓷涂层或复合材料。（4）跨尺度模拟与机器学习辅助设计。随着计算能力提升，整合DFT、MD与FEM的跨尺度模拟有望实现从原子到器件的全链条性能预测，结合机器学习构建成分-结构-性能关系的高通量筛选模型，可显著加速新型光热陶瓷的研发进程。
总之，陶瓷材料凭借本征热稳定性、化学惰性、可调孔结构与广阔的成分设计空间，在太阳能界面蒸发领域展现出巨大潜力。通过持续的机制深入研究、结构创新与多功能集成，陶瓷基光热蒸发器有望在应对全球淡水危机与能源转型中发挥关键作用。
