AS||3D 打印構筑各向異性通道結構用于局域熱管理與水層調控實現超快光熱界面蒸發

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研究背景

太陽能驅動界面蒸發技術憑借界面熱局域化的獨特優勢，實現了低能耗的高效水汽轉化，成為解決海水淡化、廢水處理等水資源短缺問題的核心策略之一，在清潔能源利用與生態環境治理領域展現出重要應用價值。盡管光熱材料研發與蒸發器結構設計已取得長足進步，但現有界面太陽能蒸發器仍面臨諸多亟待解決的關鍵瓶頸：多數蒸發器采用靜態結構與固定表面理化特性，缺乏主動動態調節能力，難以適配光照強度、環境溫度、水體鹽度持續變化的復雜自然環境；高鹽體系下長期運行易引發蒸發界面鹽結晶與孔道堵塞，導致光熱吸收效率衰減、傳質路徑受阻，最終造成蒸發器性能不可逆下降；同時，傳統蒸發器多單一聚焦水汽生成效率提升，功能較為單一，未能實現太陽能到水、電等產物的高價值協同轉化，限制了能源利用的綜合效益。這些問題的存在，迫切需要開發兼具環境自適應能力、長效抗鹽穩定性與多功能集成特性的新型界面太陽能蒸發器。

溫敏性聚合物的外界刺激響應特性為突破上述瓶頸提供了全新思路，其中聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）因具有明確的低臨界溶解溫度（LCST），可實現溫度調控下親水-疏水的可逆相轉變，能通過動態調節界面潤濕性與離子分布實現主動抗鹽，成為智能界面蒸發體系的理想基材。然而，純PNIPAM水凝膠存在固有缺陷：反復溶脹-收縮循環下機械性能薄弱、結構穩定性差，吸水傳質能力與功能可擴展性有限，難以滿足界面蒸發的實際應用需求，成為制約其工程化應用的核心問題。因此，如何通過合理的分子結構設計與交聯網絡調控，在保留PNIPAM溫度響應特性的前提下，實現其機械性能、結構穩定性與功能特性的協同優化，并結合高效光熱轉換體系構建多功能集成的智能蒸發器，成為該領域的研究重點與難點。

為攻克上述難題，本研究提出并構建了一種基于PNIPAM的熱適應性界面太陽能蒸發器，通過多維度的材料復合與結構設計實現了蒸發器性能的全方位優化。首先，引入丙烯酸（AA）與PNIPAM共聚形成聚（NIPAM-AA）雙網絡體系，利用AA豐富的極性官能團強化網絡交聯作用，有效解決了純PNIPAM機械性能差、結構不穩定的缺陷，同時顯著提升了水凝膠的吸水能力與功能可擴展性；進一步采用N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）與瓊脂（AG）構建動態多交聯網絡結構，精準調控聚合物鏈的運動自由度，在保留材料溫度敏感性的基礎上，實現了結構穩定性與機械韌性的雙重提升。為優化光熱轉換與界面傳質性能，本研究引入原位生長的ZIF-67@碳納米管（CNTs）復合材料作為光熱層，依托CNTs的高導熱性與寬光譜光熱吸收特性實現高效太陽能-熱能轉化，同時利用ZIF-67的多孔結構與Co2+配位效應，協同改善蒸發器的界面潤濕響應、離子傳輸效率與耐鹽性能。

該熱適應性蒸發器的核心工作機制源于多效應的協同調控：借助PNIPAM的LCST特性，實現低溫下分子內氫鍵主導的疏水釋水狀態的可逆轉變，從而動態調節蒸發界面潤濕性與離子濃度分布，從根源上抑制鹽結晶的形成與生長；同時，光熱轉換產生的界面溫度梯度引發熱馬蘭戈尼效應，離子濃度差誘導溶質馬蘭戈尼效應，二者協同作用推動鹽離子從蒸發界面向體相水體快速回流，并實現水分的定向高效傳輸，進一步顯著增強蒸發器在高鹽環境下的長期抗鹽穩定性。

基于該創新設計，所制備的熱適應性蒸發器成功實現了動態復雜環境中的性能自優化，在1個太陽輻射下，蒸發速率穩定達到3.88 kg m?2 h?1，同時實現103.3 mW/m2的電能輸出功率；在復雜實際水處理過程中，該蒸發器對亞甲藍染料與乳化廢水的去除效率均超過99.9%，展現出優異的實際應用性能與環境適配性。本研究通過雙單體共聚體系與雙交聯動態網絡的創新設計，成功解決了純PNIPAM水凝膠在界面蒸發應用中的核心缺陷，系統揭示了聚合物結構調控、界面潤濕優化、溫度響應特性與水-電聯產性能之間的內在關聯與調控機制。該研究為構建兼具環境自適應能力、長效穩定性與多功能集成的高性能界面太陽能蒸發器提供了全新的設計思路與技術范式，相關研究成果以“Thermo-Adaptive Interfacial Solar Evaporators Enhanced by Tunable Structure and Wettability for High-Efficiency Water and Electricity Cogeneration”為題，發表于國際知名期刊《Advanced Functional Materials》（中科院一區TOP，JCR一區，影響因子IF=19）。

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相關數據

圖 1 BTCG 型太陽能驅動界面蒸發器的仿生雙各向異性設計。 (a) 天然木材依靠垂直取向的導管與管胞結構，實現水分和養分的定向傳輸； (b) 仿生氣凝膠的掃描電鏡形貌圖，其類木材的多孔通道結構兼具機械穩定性與物質定向傳輸能力； (c) 3D 打印誘導組分定向組裝的原理示意圖； (d) a-BTCG 蒸發器在太陽能驅動界面蒸發過程中的工作原理； (e) 光子與聲子的傳輸路徑示意圖，表明取向結構可強化光的多次反射、光能捕獲效率及面內熱傳導性能； (f) 無序通道與取向通道中的水分傳輸行為對比，各向異性通道可降低傳輸迂曲度，實現毛細水流的快速、連續傳輸。

圖 2 材料的制備與表征。(a) 3D 打印制備過程示意圖，擠出成型過程中的剪切取向作用使氮化硼納米片發生定向排列，構建出材料層面的各向異性結構； (b) 無取向型 u-BTCG 的掃描電鏡圖像與能譜元素分布圖，顯示其呈隨機多孔網絡結構； (c) 取向型 a-BTCG 的掃描電鏡圖像，可見逐層打印形成的垂直取向通道，且存在堆疊的片層結構與相互連通的氣孔； (d) a-BTCG、u-BTCG 與五氧化三鈦的 X 射線衍射圖譜對比，展示三者的結構特征差異； (e-f) u-BTCG 與 a-BTCG 的二維小角 X 射線散射圖譜及對應的方位角強度曲線，證實 3D 打印可誘導氮化硼納米片的取向性顯著提升； (g) BTC 與 a-BTCG 的傅里葉變換紅外光譜圖； (h) a-BTCG 復合網絡結構示意圖，展示氮化硼納米片、五氧化三鈦納米顆粒、殼聚糖分子鏈與戊二醛交聯劑的分布狀態； (i) 殼聚糖引入前后的水接觸角測試結果，表明材料表面向超親水特性轉變，該特性有利于太陽能驅動的界面蒸發過程。

圖 3 光熱轉換與熱響應性能。(a) 無取向型 u-BTCG（左）與取向型 a-BTCG（右）的光子傳輸路徑示意圖，突出展示二者在光的反射、折射及吸收方面的差異； (b) 五氧化三鈦納米顆粒、a-BTCG、u-BTCG 及氮化硼納米片的紫外 - 可見 - 近紅外吸收光譜（200~2500 nm），證實取向型體系的寬帶光吸收性能得到顯著提升； (c) a-BTCG 蒸發器漂浮于海水中、在 1 個太陽光照下的紅外熱成像圖，對比其穿面與面內的升溫行為； (d) a-BTCG 與 u-BTCG 在持續光照下的表面溫度變化曲線，表明取向型結構的升溫速率更快，且能達到更高的穩態溫度。

圖 4 取向型 a-BTCG 的熱響應性能。 (a) 熱響應器件的制備、涂覆及組裝過程數碼照片，同時展示 a-BTCG 涂層中熱誘導電子傳輸的作用機制示意圖； (b) 五氧化三鈦 / 氮化硼復合材料的熱觸發響應行為曲線； (c) 取向型 a-BTCG 憑借其各向異性結構實現的增強型快速熱響應特性； (d) 不同加熱條件下 a-BTCG 與無取向型 u-BTCG 的溫度變化曲線及熱觸發響應時間對比，證實該材料具有快速的激活特性與穩定的報警持續時長； (e) 取向型 a-BTCG 與已報道熱響應材料的性能對比，凸顯其更優異的觸發速度與更長的報警持續時間。

圖 5 太陽能驅動界面蒸發性能測試。 (a) 1 個太陽光照下 BTC、u-BTCG 及 a-BTCG 的蒸發速率對比，表明氮化硼的引入與結構的定向取向可顯著提升蒸發性能； (b) 1 個太陽光照下 a-BTCG 在不同濃度氯化鈉鹽溶液（0~20 wt.%）中的蒸發性能； (c) a-BTCG 在不同太陽輻照強度（1~5 個太陽）下的蒸發速率，證實其在高蒸發通量下仍具備穩定的水分供給能力與結構魯棒性； (d) a-BTCG 在純水中、持續 1 個太陽光照下的長期穩定性測試結果； (e) a-BTCG 在 20 wt.% 氯化鈉鹽溶液中的長期穩定性測試結果，證實其具有優異的連續運行耐久性與耐鹽性； (f) a-BTCG 的全天戶外蒸發性能，展示蒸發速率與環境溫度、太陽輻照度動態變化的關聯性； (g) 自然光照下，透明罩內壁在 15~60 分鐘內快速生成冷凝水珠的實物現象，直觀證實材料具備優異的光熱蒸發性能； (h) a-BTCG 與目前文獻已報道的先進太陽能蒸發器的光熱轉換效率及蒸發速率對比。

圖 6 各向異性結構賦予的定向傳輸機制。 (a) 氮化硼納米片定向排列誘導 a-BTCG 產生的各向異性熱流示意圖； (b) u-BTCG 與 a-BTCG 在面內及穿面方向的實測熱導率數據，證實材料熱傳導存在顯著的方向差異性； (c) 基于 COMSOL 模擬的瞬態熱傳遞分布圖，對比面內與穿面的熱傳播規律（定性可視化）； (d、e) 對應的模擬溫度 - 時間曲線及溫度 - 功率密度關系曲線，凸顯面內熱平衡的建立速率更快； (f) u-BTCG（左）與 a-BTCG（右）中受限水層的模擬分布特征，表明取向型結構的水層連續性提升、傳輸迂曲度降低； (g) 濕態 a-BTCG 的低場核磁共振譜圖，揭示材料中存在結合水、中間水與自由水三種水相狀態； (h) a-BTCG 在水分逐步蒸發過程中的原位傅里葉變換紅外光譜曲線。

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研究結論

本研究探究了3D打印各向異性通道結構在太陽能驅動界面蒸發中的應用，設計并制備出兼具幾何各向異性與材料級取向有序的a-BTCG蒸發器，該蒸發器通過氮化硼納米片的定向排列、三氧化五鈦納米顆粒的均勻分散與殼聚糖親水基質的協同作用，構建了耦合的光子-聲子-水傳輸通路。在1個太陽光照射下，該蒸發器實現了5.43 kg m?2 h?1的超高蒸發速率，面內熱導率可達2.73 W m?1 K?1，熱響應時間低至0.42 s，且在20 wt.%的高濃度鹽水中連續運行200小時仍能保持穩定性能，無明顯鹽析與結構劣化現象。戶外實際測試中，該蒸發器隨光照與溫度變化展現出優異的蒸發適配性，短時間內即可實現水蒸氣的高效冷凝。本研究揭示了結構與材料雙重各向異性對太陽能蒸發過程中熱管理、光吸收與水傳輸的協同調控機制，突破了傳統蒸發器在光吸收、熱耗散與水供給間的性能權衡難題。所提出的3D打印輔助取向工程設計策略，為高性能太陽能蒸發器的研發提供了通用化平臺，也為先進海水淡化、廢水處理與環境熱管理技術的發展提供了新的思路，在水資源再生與新能源利用領域具有廣闊的應用前景。

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DOI:10.1002/advs.202520694

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