全球淡水資源匮乏問題日益嚴重。統計表明，現有約20億人無法獲得安全的飲用水，預計到2025年，全世界約一半的人口将生活在水資源緊張的地區。太陽能淡化海水作為一種利用可再生能源的技術，在緩解淡水資源短缺問題方面具有顯著的優勢，特别是在陽光充足的沿海地區，如南亞、中東和北非。該技術通過太陽能驅動蒸餾，将海水轉化為淡水，不僅技術成熟且成本逐漸下降，還對環境友好，能夠減少溫室氣體排放，有助于實作可持續發展，減少對化石燃料的依賴，積極應對氣候變化帶來的挑戰。
日前，美國科學促進會EurekAlert！報道了南洋理工大學在海水淡化方面的工作，周琨教授團隊利用粉末床熔融3D列印技術制備了具有毛細管結構和複雜表面構築的太陽能蒸汽發生器（Solar Steam Generator, SSG）。通過模仿植物的蒸騰作用，實作了海水的快速、持續蒸發，同時這項技術也實作了自清潔SSG的大規模制備。相關研究以論文《3D printing of bio-inspired porous polymeric solar steam generators for efficient and sustainable desalination》發表在《Applied Physics Reviews》。國際權威科學新聞網每日科學（ScienceDaily）也予以轉載報道。
毛細管結構在植物蒸騰作用中起到關鍵作用，通過毛細作用将水分從根部運輸到葉片，并通過蒸騰拉力促進水分的持續運輸，保證水分柱的連續性。這一結構不僅維持水分供給，還幫助運輸溶解在水中的礦物質和營養物質，支援植物的生長和代謝。制備具有毛細管結構的SSG以仿生蒸騰作用，有助于提高水蒸發速率和自清潔能力。同時，利用3D列印技術制備表面結構複雜的SSG，可以增加水分與空氣的接觸面積，加快水的蒸發。
MJF列印SSG的制造和應用。(A)C@Fe3O4助熔劑的合成過程示意圖。(B)MJF測試平台和列印SSG結構的示意圖。(C)植物蒸騰作用，樹幹和多孔材料中水分運輸的示意圖。(D)太陽照射下 MJF列印SSG表面水的蒸發過程示意圖。
基于金屬-有機架構材料衍生助熔劑C@Fe3O4的優異光熱轉換性能，研究者通過多噴射熔融（Multi Jet Fusion, MJF）粉末床列印技術仿生制備出具有毛細管結構的SSG，并實作了自清潔和快速水蒸發。在制備過程中，首先制備具有優異光熱性能的助熔劑，然後利用MJF列印機将含有水溶性耐高溫造孔劑的PA12粉末成型為表面具有高精度樹狀結構的構件，浸泡除去造孔劑後即得到具有毛細管結構的SSG。
樹形結構SSG的結構設計和光熱性能。(A)SSG的太陽光反射和吸收曲線。(B)樹形結構的3D模型及其光學圖像。(C)不同太陽輻射強度下樹形結構SSG的加熱行為。(D)通過紅外相機獲得的列印樹形結構的側面圖和頂視圖。(E)樹形結構SSG不同位置的溫度變化。(F)不同太陽輻射強度下水面上樹形結構SSG的加熱行為。(G)5個太陽光強下純水的溫度分布，及樹形結構SSG在水面和水面以上的表面溫度分布的模拟結果，以及水面上樹形結構SSG中的水分布。
研究結果表明，所制備的仿生SSG在太陽光譜範圍内的平均吸收率約為95%，具備高效的光熱轉換能力。特别地，在室溫25°C、濕度73%、平均太陽光強度約1000 W·m²的條件下，仿生SSG的平均溫度升高至42°C。通過COMSOL模拟計算熱量和海水在樹狀結構中的分布，驗證了毛細管結構引發的仿生蒸騰作用在水蒸發過程中的重要作用。
SSG的水蒸發測試。(A)在5個太陽光強下測試時水面上的樹形SSG。太陽照射下(B)水和(C)海水蒸發的重量損失與輻照時間的關系圖。(D)在1個太陽輻射強度下測試的已發表論文和本研究的能量轉換效率和蒸發速率比較。不同太陽輻射強度下列印SSG樣品的(E)水和(F)海水蒸發速率。(G) 1個太陽輻射強度下SSG闆的自清潔性能。
水蒸發性能測試結果表明，所列印的樹狀結構仿生SSG在1個太陽光照強度下的水蒸發速率為1.55 kg·m−2·h−1，太陽能轉換率高達94.4%。再者，自清潔能力測試結果表明，仿生SSG不僅可以快速蒸發水分，而且還可以利用濃度梯度清理表面積累的鹽分，實作自清潔。
SSG的長期水蒸發性能。(A)SSG進行現場測試的封閉容器。(B)在不同太陽輻射強度下收集水中的離子濃度。(C)SSG闆和(D)樹狀SSG一周的水蒸發性能。(E)由商用列印機MJF 5200 列印的樹狀SSG。(F)在5個太陽光強下對列印的大面積樹狀SSG進行12小時的水蒸發測試。
仿生SSG的現場測試同樣證明了其優異的海水蒸發能力，且收集的水中離子濃度遠低于世衛組織的标準。所制備的SSG的性能表現在長時間工作後并不會明顯衰減，能夠實作持續的海水淡化。此外，研究者還通過商用MJF列印機實作了上述仿生樹狀結構的批量制備，進而為高性能SSG的大規模商業化應用提供了解決方案。
研究者通過模仿樹木的蒸騰作用，制備了具有毛細管結構的仿生SSG，實作了可持續海水淡化，水蒸發速率高達1.55 kg·m−2·h−1。同時，這種仿生SSG的自清潔性和可規模化生産為其宏量應用奠定了基礎。這種利用增材制造技術和光熱轉換進行海水淡化的方法無疑更加節能環保。這一工作也為後續基于MJF列印的SSG大規模生産鋪平了道路。
團隊介紹：該論文第一作者為新加坡南洋理工大學博士後研究員侯雁北博士，通訊作者為新加坡南洋理工大學的周琨教授。文章合著者包括南洋理工大學博士生高銘，博士後研究員白雪玉博士、杜和軍副教授和惠普公司趙麗華博士。周琨教授課題組依托于惠普-南洋理工大學數字制造聯合實驗室和新加坡3D列印中心，主要研究粉末床熔融、材料擠出成型、立體光固化、定向能量沉積等先進增材制造技術，包括功能聚合物複合材料及高性能新金屬材料研發、先進結構設計和多尺度模拟仿真、增材制造零件宏微觀力學性能表征及其應用等。
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報道連結：https://www.eurekalert.org/news-releases/1051776https://www.sciencedaily.com/releases/2024/07/240723123507來源：高分子科學前沿