中国海洋大学徐晓峰教授AM：多材料3D打印实现高效太阳能脱盐与盐分收集

摘要：淡水短缺是全球面临的紧迫挑战，尤其在缺乏集中式基础设施的偏远地区。太阳能界面蒸发技术作为一种可持续、低碳的解决方案，近年来备受关注。然而，传统的光热材料如气凝胶、水凝胶和泡沫，由于其各向同性的三维结构和常规制造方法的限制，难以实现性能优化和功能集成。此外，现有

淡水短缺是全球面临的紧迫挑战，尤其在缺乏集中式基础设施的偏远地区。太阳能界面蒸发技术作为一种可持续、低碳的解决方案，近年来备受关注。然而，传统的光热材料如气凝胶、水凝胶和泡沫，由于其各向同性的三维结构和常规制造方法的限制，难以实现性能优化和功能集成。此外，现有三维蒸汽发生器在极端盐度环境下易发生盐结晶，制约了其实际应用。

近日，中国海洋大学徐晓峰教授和德比大学Wang Zhihang合作提出了一种基于多材料3D打印的光热矩阵制备策略，实现了在宽盐度范围（3.5%–25%）内的高效太阳能脱盐与盐分收集。通过精确调控墨水配方、阳离子交联和打印结构，研究团队成功制造出具有组成、结构和功能异质性的三维蒸汽发生器和太阳能结晶器。在1太阳光照下，优化后的蒸汽发生器在对流空气中实现了17.9 kg m⁻² h⁻¹的最高蒸发速率，比淡水条件下提高10.5%，并在25%高盐卤水中仍保持6.6 kg m⁻² h⁻¹的蒸发性能。相关论文以“Tailor-Made Solar Desalination and Salt Harvesting from Diverse Saline Water Enabled by Multi-Material Printing”为题，发表在Advanced Materials上。

研究团队首先设计了基于聚两性离子的光热墨水系统，通过多材料直写成型技术实现了梯度气凝胶矩阵的精确构建。图1展示了墨水的组成及其在多材料打印中的应用，包括不同聚两性离子含量的墨水配方及其在太阳能脱盐与结晶中的分级设计。图2进一步揭示了墨水的流变性能、打印精度以及打印后矩阵的宏观结构与孔隙分布，显示出优异的剪切稀化行为和结构保真度。通过微计算机断层扫描和扫描电镜分析，研究人员证实了矩阵内梯度孔结构的存在，并系统评估了其水扩散、毛细压力、溶胀行为及盐溶液吸收能力（图3）。

图1 （a）用于多材料DIW处理的聚两性离子介导光热墨水的示意图；（b）多材料DIW加工过程；（c）本研究中用于太阳能脱盐和太阳能结晶的光热矩阵分级设计。

图2 （a）光热墨水中的材料组分、交联反应和反聚电解质效应；（b）梯度气凝胶矩阵的多材料DIW加工；（c）剪切速率扫描下的粘度变化；（d）振荡应力扫描下的储能模量与损耗模量变化；（e）打印可行性表征；（f）打印精度评估；（g）宏观照片；（h）微CT二维截面图像与重建三维模型；（i）各AM单元的孔隙率表征。

图3 （a）AM单元的SEM图像；（b）AM单元内的孔径分布；（c）单个与集成AM的红外摄影图像；（d）水扩散表征；（e）AM单元的毛细压力表征；（f）水凝胶矩阵的平衡溶胀率；（g）NaCl溶液吸收；（h）AM单元的盐吸附量；（i）1太阳光照下AM单元表面盐结晶情况。

在太阳能脱盐性能测试中，具有华夫格状表面的三维蒸汽发生器（SG2）在无气流条件下仍能在25%盐水中保持2.3 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，而在2 m s⁻¹气流下更提升至6.6 kg m⁻² h⁻¹（图4）。研究还发现，通过引入二价阳离子（如Ca²⁺、Cu²⁺、Co²⁺）交联矩阵，可进一步降低水的蒸发焓，提升蒸发效率。特别值得一提的是，SG4在海水中的蒸发速率甚至高于淡水，这在光热材料中极为罕见。

图4 （a）SG1与SG2顶部表面及质量与热量流动示意图；（b）SG1与SG2在无气流下的水蒸发速率总结；（c）SG2在不同气流下的水蒸发速率总结；（d）不同盐溶液在1太阳下的质量变化；（e）阳离子与聚合物链之间多重相互作用的示意图；（f）经Cu²⁺与Co²⁺交联的SG的数码照片与元素分布图；（g）SG2、SG3与SG4在有/无气流下的水蒸发速率总结；（h）近期报道的SG在不同盐度下的蒸发性能总结。

除了脱盐，研究团队还通过重构矩阵单元设计出太阳能结晶器，实现了局部盐分的可控结晶与收集（图5）。在20%盐水中，SC2-3装置实现了269.3 g m⁻² h⁻¹的盐收集速率，同时保持稳定的水蒸发性能。此外，研究还验证了其他两性离子单体（如CBMA、SBAA、VBIPS）在脱盐与结晶中的适用性，显示出该策略的广泛适用性。

图5 （a）通过多材料3D打印制备的SC示意图；（b）SC的固体盐收集总结；（c）CBMA的¹H NMR谱图；（d）SBAA的¹H NMR谱图；（e）VBIPS的¹H NMR谱图；（f）SG5、SG6与SG7在不同水质下的水蒸发速率；（g）SC5、SC6与SC7在20% NaCl溶液中的盐收集速率；（h）中国沿海地区年蒸发量估算；（i）中国传统产盐区年产量预测。

这项研究首次展示了多材料3D打印在太阳能脱盐与盐分收集中的灵活性与精确性，为应对全球淡水短缺和资源回收提供了新的技术路径。通过结构异质性设计、多机制水传输调控以及阳离子交联策略，该技术不仅在极端盐度下保持高效稳定，还实现了从“抗盐结晶”到“控盐结晶”的功能转换，展现出在沿海地区和盐田中的巨大应用潜力。