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  基于水凝膠的界面太陽能蒸發(fā)（ISE）技術(shù)被認(rèn)為是一種應(yīng)對全球水資源短缺挑戰(zhàn)的可持續(xù)海水淡化路徑，其性能高度依賴于水凝膠的微觀與宏觀的傳質(zhì)、傳熱管理。例如，表面圖案能夠增強(qiáng)光吸收，內(nèi)部通道有助于提升水輸運(yùn)效率，而特定幾何外形還可有效降低污堵風(fēng)險(xiǎn)。然而，傳統(tǒng)模具構(gòu)建方法雖然可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化水凝膠的制備，但模具的設(shè)計(jì)、加工與更換過程繁瑣，難以適應(yīng)高效、快速與多樣化的結(jié)構(gòu)制造需求。

  3D打印技術(shù)，特別是墨水直寫（DIW）與數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)，為水凝膠結(jié)構(gòu)的高精度快速構(gòu)建提供了全新可能。DIW可實(shí)現(xiàn)擠出式打印，但難以控制蒸發(fā)器內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)，打印分辨率有限。相比之下，DLP技術(shù)利用數(shù)字光源逐層光固化單體溶液，可實(shí)現(xiàn)高精度、可重復(fù)、快速制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的水凝膠。已有研究嘗試將DLP應(yīng)用于ISE水凝膠的構(gòu)建，但普遍存在前驅(qū)體濃度過高（有的高達(dá)90 wt%）的問題。這不僅顯著提高了材料成本，同時(shí)也抑制了水凝膠的吸水能力、水輸運(yùn)速率與蒸發(fā)效率。造成這一問題的原因主要包括：在405 nm近紫外光照下，低濃度前驅(qū)體生成的聚合增長鏈的數(shù)量有限，鏈纏結(jié)不足，難以形成穩(wěn)定的逐層固化結(jié)構(gòu)；即便凝膠部分交聯(lián)，其結(jié)構(gòu)仍易在后續(xù)過程中吸收殘余墨水發(fā)生過度膨脹與變形，影響打印精度；此外，高水含量還會(huì)導(dǎo)致光散射增強(qiáng)，進(jìn)一步削弱打印分辨率與層間附著力。

  針對上述挑戰(zhàn)，悉尼科技大學(xué)付強(qiáng)團(tuán)隊(duì)從材料化學(xué)的視角出發(fā)，開發(fā)出一種前驅(qū)體總濃度僅為20 wt%的水性DLP打印墨水，含有5 wt%長鏈聚乙烯醇（PVA）以增強(qiáng)鏈纏結(jié)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以及15 wt%水溶性單體。該墨水成功實(shí)現(xiàn)了具有宏觀/微觀結(jié)構(gòu)特征的多孔水凝膠打印。通過精確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效實(shí)現(xiàn)了對熱管理與水傳輸?shù)膬?yōu)化調(diào)控。其中，表面具有凹陷結(jié)構(gòu)的水凝膠在性能上表現(xiàn)最為優(yōu)異，兼具高效水輸運(yùn)與熱保持能力，在一個(gè)太陽照射條件下，蒸發(fā)速率可達(dá)3.56 kg m^-2 h^-1，日均產(chǎn)水量超過10 L m^-2。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出良好的抗鹽結(jié)性能與長期穩(wěn)定性。該工作以“Precision-Engineered, Polymer-Lean, Digital Light Processing 3D-printed Hydrogels for Enhancing Solar Steam Generation and Sustainable Water Treatment”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上。文章第一作者是悉尼科技大學(xué)博士生毛疏笛，通訊作者是悉尼科技大學(xué)付強(qiáng)副教授、Long D. Nghiem教授和中北大學(xué)孫友誼教授。該研究得到澳大利亞研究理事會(huì)（ARC）的資金支持。

圖1. （a）自下而上的DLP 3D打印方法示意圖；（b）打印墨水中各組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)；（c）在紫外光誘導(dǎo)的自由基聚合及后處理過程中高分子網(wǎng)絡(luò)的形成與演變過程。

圖2. 3D打印水凝膠的性能表征。分別展示了3D打印的(a) 5PVA15PHEA-N、(b) 5PVA15PHEA-H 和 (c) 5PVA15PHEA-C 水凝膠的：(i) 設(shè)計(jì)的三維模型，(ii) 實(shí)物圖像（其中5PVA15PHEA-H樣品在水中從上方拍攝，以突出貫通孔結(jié)構(gòu)，輕微的孔形變來自不均勻的溶脹），(iii) 縱剖面光學(xué)圖像，(iv) 橫截面SEM圖像，及(v) 放大后的SEM圖像，分別展示5PVA15PHEA-N的凸起結(jié)構(gòu)孔隙、5PVA15PHEA-H的通孔結(jié)構(gòu)、以及5PVA15PHEA-C的凹陷結(jié)構(gòu)。(d) 打印的5PVA15PHEA-N、H 和 C 水凝膠的傅里葉變換紅外（FT-IR）光譜，圖中包括一組5 wt%純PVA水凝膠作為對照樣品。(e) 為打印所得三維圖案實(shí)物圖（總高度為4 mm，內(nèi)凹的“UTS”圖案深度為2 mm）；(f) 為用于拉伸測試的三組ASTM（E8）子尺寸水凝膠標(biāo)準(zhǔn)試樣實(shí)物圖。(g) 顯示5PVA15PHEA水凝膠在拉伸測試中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(h) 展示該水凝膠的紫外-可見-近紅外吸收光譜，以及歸一化的AM 1.5 G太陽光譜（淺黃色區(qū)域），波長范圍為300–2500 nm。

  所得水凝膠命名為 5PVA15PHEA-X，其中“5”和“15”分別表示PVA與PHEA的質(zhì)量濃度（wt%），X代表結(jié)構(gòu)類型，C、N 和 H 分別對應(yīng)凹陷陣列、凸點(diǎn)陣列和垂直貫通孔陣列結(jié)構(gòu)。

圖3. 3D打印水凝膠的ISSG表現(xiàn)。(a) 自制的SSG測試裝置示意圖；(b) 在一個(gè)太陽光照條件下，5PVA15PHEA-N、H、C三種水凝膠及純水的水質(zhì)量變化情況；(c) 5PVA15PHEA-N、H 和 C水凝膠表面與體積水的溫度變化趨勢，右側(cè)為三種結(jié)構(gòu)水凝膠在照射一小時(shí)后達(dá)到熱平衡時(shí)的紅外熱成像圖；(d) 水凝膠吸水時(shí)間與對應(yīng)干膠單位質(zhì)量含水量之間的關(guān)系圖；(e) 各水凝膠中水傳輸路徑的示意圖；(f) 各水凝膠中熱傳導(dǎo)路徑的示意圖；(g) 5PVA15PHEA-C水凝膠在O–H伸縮振動(dòng)區(qū)域的拉曼光譜擬合曲線，其中綠色峰代表自由水，藍(lán)色峰代表中間水；(h) 所有打印水凝膠的中間水含量比例 [IW:(IW+FW)]（由拉曼譜計(jì)算），以及對應(yīng)的水蒸發(fā)等效焓（由DSC曲線計(jì)算）。誤差棒表示至少兩個(gè)樣品間的差異；(i) 本研究水凝膠的蒸發(fā)速率與前驅(qū)體濃度對比當(dāng)前主流DLP與DIW打印ISSG裝置的性能表現(xiàn)（不含典型3D結(jié)構(gòu)ISSG）。

  由于三種不同形貌的水凝膠采用相同配方打印，其拉曼光譜測得的中間水含量與差示掃描量熱法（DSC）計(jì)算的等效蒸發(fā)焓基本一致，且優(yōu)于高前驅(qū)體濃度體系。但它們在水熱管理能力上表現(xiàn)出顯著差異：

  1.N型水凝膠具凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，光吸收與熱聚集效果良好，表面溫度可達(dá)43 °C；但因缺乏輔助水輸運(yùn)結(jié)構(gòu)，僅依賴水凝膠本體滲透補(bǔ)水，傳輸效率低，導(dǎo)致整體蒸發(fā)速率最小。

  2.H型水凝膠采用貫穿孔結(jié)構(gòu)，毛細(xì)吸水能力強(qiáng)，補(bǔ)水速度快；但垂直孔道也帶來熱量直接傳遞至水體，造成顯著熱損失，表面溫度下降至接近水體溫度，蒸發(fā)性能中等。

  3.C型水凝膠在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)水熱管理的最優(yōu)平衡：凹陷結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光熱捕獲，半通孔道既減少熱損失，又維持良好毛細(xì)補(bǔ)水，因而蒸發(fā)性能最為出色。

圖4. 3D打印水凝膠的海水淡化與水凈化性能。(a) 5PVA15PHEA-C、N、H 三種水凝膠在去離子水、海水和模擬鹽水（20 wt% NaCl 溶液）中的蒸發(fā)速率。每個(gè)誤差棒表示至少三個(gè)樣品之間的差異；(b) 5PVA15PHEA-C 在海水中連續(xù)四周的蒸發(fā)性能，插圖顯示其在暴露海水6天和20天后的SSG性能變化；(c) 5PVA15PHEA-C、N 和 H 水凝膠構(gòu)建的太陽能蒸汽發(fā)生器在淡化前后海水中四種主要離子（Na?、Mg2?、K?、Ca2?）的濃度變化；(d) 5PVA15PHEA-C 水凝膠用于太陽能蒸汽純化含染料（亞甲基藍(lán)，MB）模擬廢水前后的紫外-可見吸收光譜，插圖為SSG處理前后MB溶液的外觀照片對比；(e) 2024年10月7日于澳大利亞悉尼進(jìn)行戶外SSG測試期間的環(huán)境溫度、濕度和太陽輻照強(qiáng)度，插圖為自制戶外SSG裝置實(shí)拍圖；(f) 戶外SSG裝置的蒸發(fā)與冷凝水體積統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

  在成功驗(yàn)證3D打印水凝膠優(yōu)異ISE性能基礎(chǔ)上，研究進(jìn)一步評估了其在實(shí)際條件下的海水淡化與污水凈化能力。以悉尼達(dá)令港真實(shí)海水及20 wt%模擬鹽水為測試對象，5PVA15PHEA-C水凝膠在海水中蒸發(fā)速率達(dá)3.42 kg m^-2 h^-1，在高鹽環(huán)境中仍保持3.06 kg·m^-2·h^-1，展現(xiàn)出良好的抗鹽結(jié)能力，運(yùn)行8小時(shí)無明顯結(jié)晶。進(jìn)一步模擬實(shí)驗(yàn)中，外加的NaCl晶體可在約200分鐘內(nèi)完全溶解，這得益于凹陷結(jié)構(gòu)所引發(fā)的馬蘭戈尼效應(yīng)。此外，該水凝膠在連續(xù)四周測試中仍保持穩(wěn)定蒸發(fā)性能（3.50 ± 0.25 kg·m?2·h?1）。冷凝水分析顯示，主要離子（Na?、Mg2?、K?、Ca2?）濃度相比原海水降低4–5個(gè)數(shù)量級，遠(yuǎn)低于世衛(wèi)組織推薦飲用水標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，對于含亞甲基藍(lán)的模擬染料廢水，也實(shí)現(xiàn)了完全脫色凈化。為提升冷凝效率，研究還構(gòu)建了集成了風(fēng)扇與制冷模塊的戶外ISE裝置，在僅0.47 kW·m^-2的平均日照下，實(shí)現(xiàn)了12.73 L m^-2d^-1的蒸發(fā)量與10.36 L m^-2 d^-1的產(chǎn)水量，冷凝效率達(dá)81.4%。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/mh/d5mh00018a/unauth.