AS||3D 打印构筑各向异性通道结构用于局域热管理与水层调控实现超快光热界面蒸发|传质|打印|水汽|离子|蒸发器

研究背景

太阳能驱动界面蒸发技术凭借界面热局域化的独特优势，实现了低能耗的高效水汽转化，成为解决海水淡化、废水处理等水资源短缺问题的核心策略之一，在清洁能源利用与生态环境治理领域展现出重要应用价值。尽管光热材料研发与蒸发器结构设计已取得长足进步，但现有界面太阳能蒸发器仍面临诸多亟待解决的关键瓶颈：多数蒸发器采用静态结构与固定表面理化特性，缺乏主动动态调节能力，难以适配光照强度、环境温度、水体盐度持续变化的复杂自然环境；高盐体系下长期运行易引发蒸发界面盐结晶与孔道堵塞，导致光热吸收效率衰减、传质路径受阻，最终造成蒸发器性能不可逆下降；同时，传统蒸发器多单一聚焦水汽生成效率提升，功能较为单一，未能实现太阳能到水、电等产物的高价值协同转化，限制了能源利用的综合效益。这些问题的存在，迫切需要开发兼具环境自适应能力、长效抗盐稳定性与多功能集成特性的新型界面太阳能蒸发器。

温敏性聚合物的外界刺激响应特性为突破上述瓶颈提供了全新思路，其中聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）因具有明确的低临界溶解温度（LCST），可实现温度调控下亲水-疏水的可逆相转变，能通过动态调节界面润湿性与离子分布实现主动抗盐，成为智能界面蒸发体系的理想基材。然而，纯PNIPAM水凝胶存在固有缺陷：反复溶胀-收缩循环下机械性能薄弱、结构稳定性差，吸水传质能力与功能可扩展性有限，难以满足界面蒸发的实际应用需求，成为制约其工程化应用的核心问题。因此，如何通过合理的分子结构设计与交联网络调控，在保留PNIPAM温度响应特性的前提下，实现其机械性能、结构稳定性与功能特性的协同优化，并结合高效光热转换体系构建多功能集成的智能蒸发器，成为该领域的研究重点与难点。

为攻克上述难题，本研究提出并构建了一种基于PNIPAM的热适应性界面太阳能蒸发器，通过多维度的材料复合与结构设计实现了蒸发器性能的全方位优化。首先，引入丙烯酸（AA）与PNIPAM共聚形成聚（NIPAM-AA）双网络体系，利用AA丰富的极性官能团强化网络交联作用，有效解决了纯PNIPAM机械性能差、结构不稳定的缺陷，同时显著提升了水凝胶的吸水能力与功能可扩展性；进一步采用N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）与琼脂（AG）构建动态多交联网络结构，精准调控聚合物链的运动自由度，在保留材料温度敏感性的基础上，实现了结构稳定性与机械韧性的双重提升。为优化光热转换与界面传质性能，本研究引入原位生长的ZIF-67@碳纳米管（CNTs）复合材料作为光热层，依托CNTs的高导热性与宽光谱光热吸收特性实现高效太阳能-热能转化，同时利用ZIF-67的多孔结构与Co²+配位效应，协同改善蒸发器的界面润湿响应、离子传输效率与耐盐性能。

该热适应性蒸发器的核心工作机制源于多效应的协同调控：借助PNIPAM的LCST特性，实现低温下分子内氢键主导的疏水释水状态的可逆转变，从而动态调节蒸发界面润湿性与离子浓度分布，从根源上抑制盐结晶的形成与生长；同时，光热转换产生的界面温度梯度引发热马兰戈尼效应，离子浓度差诱导溶质马兰戈尼效应，二者协同作用推动盐离子从蒸发界面向体相水体快速回流，并实现水分的定向高效传输，进一步显著增强蒸发器在高盐环境下的长期抗盐稳定性。

基于该创新设计，所制备的热适应性蒸发器成功实现了动态复杂环境中的性能自优化，在1个太阳辐射下，蒸发速率稳定达到3.88 kg m⁻² h⁻¹，同时实现103.3 mW/m²的电能输出功率；在复杂实际水处理过程中，该蒸发器对亚甲蓝染料与乳化废水的去除效率均超过99.9%，展现出优异的实际应用性能与环境适配性。本研究通过双单体共聚体系与双交联动态网络的创新设计，成功解决了纯PNIPAM水凝胶在界面蒸发应用中的核心缺陷，系统揭示了聚合物结构调控、界面润湿优化、温度响应特性与水-电联产性能之间的内在关联与调控机制。该研究为构建兼具环境自适应能力、长效稳定性与多功能集成的高性能界面太阳能蒸发器提供了全新的设计思路与技术范式，相关研究成果以“Thermo-Adaptive Interfacial Solar Evaporators Enhanced by Tunable Structure and Wettability for High-Efficiency Water and Electricity Cogeneration”为题，发表于国际知名期刊《Advanced Functional Materials》（中科院一区TOP，JCR一区，影响因子IF=19）。

相关数据

图 1 BTCG 型太阳能驱动界面蒸发器的仿生双各向异性设计。 (a) 天然木材依靠垂直取向的导管与管胞结构，实现水分和养分的定向传输； (b) 仿生气凝胶的扫描电镜形貌图，其类木材的多孔通道结构兼具机械稳定性与物质定向传输能力； (c) 3D 打印诱导组分定向组装的原理示意图； (d) a-BTCG 蒸发器在太阳能驱动界面蒸发过程中的工作原理； (e) 光子与声子的传输路径示意图，表明取向结构可强化光的多次反射、光能捕获效率及面内热传导性能； (f) 无序通道与取向通道中的水分传输行为对比，各向异性通道可降低传输迂曲度，实现毛细水流的快速、连续传输。

图 2 材料的制备与表征。(a) 3D 打印制备过程示意图，挤出成型过程中的剪切取向作用使氮化硼纳米片发生定向排列，构建出材料层面的各向异性结构； (b) 无取向型 u-BTCG 的扫描电镜图像与能谱元素分布图，显示其呈随机多孔网络结构； (c) 取向型 a-BTCG 的扫描电镜图像，可见逐层打印形成的垂直取向通道，且存在堆叠的片层结构与相互连通的气孔； (d) a-BTCG、u-BTCG 与五氧化三钛的 X 射线衍射图谱对比，展示三者的结构特征差异； (e-f) u-BTCG 与 a-BTCG 的二维小角 X 射线散射图谱及对应的方位角强度曲线，证实 3D 打印可诱导氮化硼纳米片的取向性显著提升； (g) BTC 与 a-BTCG 的傅里叶变换红外光谱图； (h) a-BTCG 复合网络结构示意图，展示氮化硼纳米片、五氧化三钛纳米颗粒、壳聚糖分子链与戊二醛交联剂的分布状态； (i) 壳聚糖引入前后的水接触角测试结果，表明材料表面向超亲水特性转变，该特性有利于太阳能驱动的界面蒸发过程。

图 3 光热转换与热响应性能。(a) 无取向型 u-BTCG（左）与取向型 a-BTCG（右）的光子传输路径示意图，突出展示二者在光的反射、折射及吸收方面的差异； (b) 五氧化三钛纳米颗粒、a-BTCG、u-BTCG 及氮化硼纳米片的紫外 - 可见 - 近红外吸收光谱（200~2500 nm），证实取向型体系的宽带光吸收性能得到显著提升； (c) a-BTCG 蒸发器漂浮于海水中、在 1 个太阳光照下的红外热成像图，对比其穿面与面内的升温行为； (d) a-BTCG 与 u-BTCG 在持续光照下的表面温度变化曲线，表明取向型结构的升温速率更快，且能达到更高的稳态温度。

图 4 取向型 a-BTCG 的热响应性能。 (a) 热响应器件的制备、涂覆及组装过程数码照片，同时展示 a-BTCG 涂层中热诱导电子传输的作用机制示意图； (b) 五氧化三钛 / 氮化硼复合材料的热触发响应行为曲线； (c) 取向型 a-BTCG 凭借其各向异性结构实现的增强型快速热响应特性； (d) 不同加热条件下 a-BTCG 与无取向型 u-BTCG 的温度变化曲线及热触发响应时间对比，证实该材料具有快速的激活特性与稳定的报警持续时长； (e) 取向型 a-BTCG 与已报道热响应材料的性能对比，凸显其更优异的触发速度与更长的报警持续时间。

图 5 太阳能驱动界面蒸发性能测试。 (a) 1 个太阳光照下 BTC、u-BTCG 及 a-BTCG 的蒸发速率对比，表明氮化硼的引入与结构的定向取向可显著提升蒸发性能； (b) 1 个太阳光照下 a-BTCG 在不同浓度氯化钠盐溶液（0~20 wt.%）中的蒸发性能； (c) a-BTCG 在不同太阳辐照强度（1~5 个太阳）下的蒸发速率，证实其在高蒸发通量下仍具备稳定的水分供给能力与结构鲁棒性； (d) a-BTCG 在纯水中、持续 1 个太阳光照下的长期稳定性测试结果； (e) a-BTCG 在 20 wt.% 氯化钠盐溶液中的长期稳定性测试结果，证实其具有优异的连续运行耐久性与耐盐性； (f) a-BTCG 的全天户外蒸发性能，展示蒸发速率与环境温度、太阳辐照度动态变化的关联性； (g) 自然光照下，透明罩内壁在 15~60 分钟内快速生成冷凝水珠的实物现象，直观证实材料具备优异的光热蒸发性能； (h) a-BTCG 与目前文献已报道的先进太阳能蒸发器的光热转换效率及蒸发速率对比。

图 6 各向异性结构赋予的定向传输机制。 (a) 氮化硼纳米片定向排列诱导 a-BTCG 产生的各向异性热流示意图； (b) u-BTCG 与 a-BTCG 在面内及穿面方向的实测热导率数据，证实材料热传导存在显著的方向差异性； (c) 基于 COMSOL 模拟的瞬态热传递分布图，对比面内与穿面的热传播规律（定性可视化）； (d、e) 对应的模拟温度 - 时间曲线及温度 - 功率密度关系曲线，凸显面内热平衡的建立速率更快； (f) u-BTCG（左）与 a-BTCG（右）中受限水层的模拟分布特征，表明取向型结构的水层连续性提升、传输迂曲度降低； (g) 湿态 a-BTCG 的低场核磁共振谱图，揭示材料中存在结合水、中间水与自由水三种水相状态； (h) a-BTCG 在水分逐步蒸发过程中的原位傅里叶变换红外光谱曲线。

研究结论

本研究探究了3D打印各向异性通道结构在太阳能驱动界面蒸发中的应用，设计并制备出兼具几何各向异性与材料级取向有序的a-BTCG蒸发器，该蒸发器通过氮化硼纳米片的定向排列、三氧化五钛纳米颗粒的均匀分散与壳聚糖亲水基质的协同作用，构建了耦合的光子-声子-水传输通路。在1个太阳光照射下，该蒸发器实现了5.43 kg m⁻² h⁻¹的超高蒸发速率，面内热导率可达2.73 W m⁻¹ K⁻¹，热响应时间低至0.42 s，且在20 wt.%的高浓度盐水中连续运行200小时仍能保持稳定性能，无明显盐析与结构劣化现象。户外实际测试中，该蒸发器随光照与温度变化展现出优异的蒸发适配性，短时间内即可实现水蒸气的高效冷凝。本研究揭示了结构与材料双重各向异性对太阳能蒸发过程中热管理、光吸收与水传输的协同调控机制，突破了传统蒸发器在光吸收、热耗散与水供给间的性能权衡难题。所提出的3D打印辅助取向工程设计策略，为高性能太阳能蒸发器的研发提供了通用化平台，也为先进海水淡化、废水处理与环境热管理技术的发展提供了新的思路，在水资源再生与新能源利用领域具有广阔的应用前景。