利用3D打印技术辅助制造嵌入式多孔太阳能蒸发器，以实现高效的光热蒸发

《Desalination》：3D printed-assisted fabrication of embedded porous solar evaporators for efficient photothermal evaporation

基于羧甲基壳聚糖与MoS?纳米花复合的3D打印多孔蒸发器，实现了高光热转化效率（91.89%）和蒸发速率（3.05 kg·m?2·h?1），并通过异质表面润湿性调控盐结晶边缘化，维持高盐浓度（25 wt%）下的稳定性能。

　　太阳能驱动的界面蒸发（Solar-Driven Interfacial Evaporation, SIE）技术是一种可持续且高效的淡水生产方法，近年来在水处理领域受到了广泛关注。随着全球水资源短缺问题的加剧，特别是由于污染的饮用水源、极端气候条件以及水质量监测系统的不足，开发节能、环保的海水淡化技术成为研究的重点。传统的海水淡化方法，如多级闪蒸、反渗透和膜蒸馏，虽然在某些地区得到了应用，但其高能耗、高昂的运营成本以及复杂的设备要求限制了其在资源匮乏地区的推广。因此，寻找一种替代方案成为当务之急，而SIE技术因其利用太阳能作为能源，且通过优化蒸发过程减少热损失，展现出巨大的潜力。

SIE技术的核心在于如何高效地将太阳能转化为热能，并在蒸发过程中实现水分的定向传输。通过结合光热材料与多孔结构，SIE能够将蒸发过程限制在液体与空气的界面，从而提高能量利用效率。目前，光热材料在SIE技术中扮演着至关重要的角色，其中二硫化钼（MoS?）因其独特的物理化学性质，如高比表面积、良好的化学稳定性和可调节的带隙，成为一种理想的光热材料。MoS?不仅能够吸收广泛的太阳光谱，包括近紫外到近红外波段，还具有优异的光热转换能力，使其在海水淡化和废水处理中具有广泛应用前景。

在实际应用中，MoS?基的光热蒸发器表现出良好的性能，尤其是在提升蒸发效率和盐分去除能力方面。例如，通过泡沫发泡聚合技术制备的三维多孔水凝胶，结合了MoS?负载的聚丙烯酰胺，实现了高达93.4%的光热转换效率和3.297 kg·m?2·h?1的蒸发速率。同时，研究者还开发了基于海绵状聚电解质复合水凝胶的蒸发器，这种结构通过整合聚乙烯醇水凝胶与钠聚丙烯酸以及MoS?，实现了更高的蒸发速率，并在高盐度条件下仍能保持良好的运行稳定性。此外，一些研究采用了一步水热法，将MoS?原位沉积在松果表面，利用其自然的垂直通道和螺旋结构作为水分传输路径，结合高效的光热转换能力，实现了1.85 kg·m?2·h?1的蒸发速率。类似的，通过冷冻干燥技术制备的气凝胶蒸发器，结合了MoS?、MXene和壳聚糖，其垂直对齐的通道和高光吸收能力也使其在海水淡化中表现出优异的性能。

除了高效的光热材料，蒸发器内部的多孔水通道设计对于水分传输和热管理同样至关重要。传统的蒸发器结构虽然能够通过毛细作用实现快速水分传输，但在长期运行过程中，盐分会在蒸发界面积累，从而降低光吸收效率并阻碍内部水分通道。为此，研究者提出了通过调控蒸发器表面润湿性来提升SIE效率的策略。例如，具有异质润湿性的水凝胶蒸发器，其表面由亲水区域和疏水岛屿组成，能够促进水分的快速扩散和蒸发。亲水区域通过增加水分层厚度来减少表面水分子的束缚，而疏水区域则通过延长水接触线来增强水分扩散。这种设计不仅提升了蒸发效率，还优化了盐分的分离过程，使得盐分在蒸发器边缘优先结晶，从而减少了对水分蒸发的干扰。

然而，上述设计在实际应用中仍面临一些挑战，特别是高浓度盐分回流至溶液本体，可能导致矿物资源浪费。为了解决这一问题，研究者提出了基于一维水分传输路径的蒸发器设计，利用热绝缘支持层和蜂窝织物的协同作用，优化水分与盐分的传输过程。一维棉纤维棒作为毛细泵，能够驱动水分向织物边缘定向扩散，而蜂窝织物的亲水特性则诱导盐分从中心向边缘形成浓度梯度，使得盐分优先结晶在蒸发器边缘。这种设计实现了1.62 kg·m?2·h?1的蒸发速率，同时有效减少了盐分对蒸发过程的影响。此外，一些研究利用3D打印技术模拟莲蓬的垂直水分通道，并构建具有多维传输网络的水凝胶蒸发器。例如，垂直微通道能够实现快速的毛细水分补充，而边缘花瓣状结构则能够诱导盐分在蒸发器边缘优先结晶，从而实现2.413 kg·m?2·h?1的纯水蒸发速率。

近年来，3D打印技术在SIE蒸发器的设计与制造中展现出巨大的潜力。通过精确的结构设计，3D打印能够实现复杂的多孔网络，优化水分传输路径，同时增强光吸收效率。例如，一种具有分层光捕获能力的蒸发器，其表面通过3D打印技术装饰了Co?O?纳米结构，结合内部的光反射和折射以及定向润湿性通道，实现了高效的盐分去除蒸发过程，蒸发速率达到了2.028 kg·m?2·h?1，并在20 wt%盐水中保持了长期的稳定性。这些研究表明，3D打印技术在精准构建水分通道、表面形态工程以及先进的盐分管理方面具有显著优势。

在此基础上，本研究提出了一种新型的复合蒸发器，通过战略性的结合MoS?纳米花和羧甲基壳聚糖（CC）水凝胶作为功能填料，嵌入到3D打印的多孔支架（3D PS）中。MoS?纳米花作为一种窄带隙半导体，能够吸收广泛的太阳光谱，从而提升蒸发器的太阳能吸收能力。而CC作为壳聚糖的水溶性衍生物，其分子链上的羧基（-COO?）和羟基（-OH）能够形成动态的氢键网络，赋予蒸发器优异的亲水性。通过冷冻干燥技术，CC水凝胶能够稳定地集成到支架的孔隙中，同时保持其独特的多孔结构，从而实现高效的水分定向传输和增强的太阳能蒸发性能。3D PS利用其结构的刚性强度，为水凝胶提供必要的机械支撑，防止其在吸水过程中发生过度膨胀。

此外，蒸发器表面通过引入非均匀的润湿性分布，优化了界面水管理过程，并促进了盐分的定向结晶。通过将水分传输表面与盐分结晶表面进行战略性的解耦，有效防止了盐分颗粒的沉淀对光吸收和水分传输路径的干扰。这种设计在1 sun光照条件下实现了3.05 kg·m?2·h?1的蒸发速率，同时光热转换效率达到了91.89%。与传统方法相比，这种复合结构设计不仅提升了蒸发效率，还显著延长了蒸发器的运行寿命，为开发高效、可持续的太阳能驱动海水淡化系统提供了新的思路。

值得注意的是，该蒸发器在高盐度条件下（25 wt%）依然表现出良好的性能，蒸发速率维持在2.84 kg·m?2·h?1，同时盐分优先结晶在3D多孔支架表面，对蒸发速率的影响极小。这种特性使得该蒸发器在实际应用中具有更强的适应性，特别是在处理高盐度废水时，能够有效分离盐分，同时保持较高的蒸发效率。此外，该蒸发器在废水处理中表现出优异的染料去除能力，去除率超过99%，这表明其在多用途水处理系统中的应用前景广阔。

综上所述，本研究通过结合MoS?纳米花和CC水凝胶，利用3D打印技术构建了具有高效水分传输和盐分去除能力的复合蒸发器。这种设计不仅提升了太阳能驱动蒸发过程的效率，还优化了盐分管理，使得蒸发器在高盐度条件下仍能保持良好的性能。同时，该蒸发器在废水处理中表现出卓越的染料去除能力，为开发多功能、高效、可持续的太阳能驱动水处理系统提供了新的方向。未来，随着材料科学和3D打印技术的不断发展，SIE技术有望在更大范围内应用，为缓解全球水资源危机提供更加可行的解决方案。