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  全球有四分之一的人口面臨著水資源短缺的問題，而利用太陽能實現海水淡化技術被認為是獲取淡水資源的可持續的途徑。近年來，各國研究者通過在材料設計、水/蒸氣/鹽通道以及光熱調控方面進行不斷改進，以提高蒸發速率和光熱轉換效率。然而，太陽能蒸發器在面向實際應用過程中還面臨著蒸發器制備繁瑣、材料耐候性差以及長期抗鹽耐用性低的問題。

  近日，中國科學院化學研究所宋延林研究員團隊，利用3D打印技術構筑出一種表面具有仿豬籠草結構的3D 橋拱形太陽能蒸發器，實現水供應、排鹽、太陽能蒸發“多合一”功能的連續蒸發過程。仿豬籠草結構確保體相水的快速補充與供應；橋拱形設計提供整體結構的均勻連續性，實現鹽分的外排，防止鹽的析出；3D結構保證其表面構筑薄層液膜以實現太陽能熱量的局域化，提高光熱轉換效率。通過自漂浮式蒸發器設計，一個太陽光下的太陽能蒸發量為1.64 kg m^-2 h^-1，能量效率為91％。3D打印和固化過程使得光熱材料嵌入至樹脂內部，進而提高了蒸發器的機械性能與穩定性。海水淡化所獲淡水達到WHO飲用標準，并可直接用于農作物種植。

圖1 3D打印仿生橋拱形蒸發器的制備過程

  研究人員搭建了DLP連續3D打印系統(Research, 2018, 2018, 4795604)，打印出表面具有仿豬籠草微坑結構的3D橋拱蒸發器，其對保證連續蒸發起到了關鍵作用。光熱材料在打印過程中嵌入至基底材料內部，能夠保證長期的使用。

圖2 不同結構蒸發器的蒸發性能

  他們還對不同結構的蒸發器進行了蒸發性能測試，參數優良的蒸發器的蒸發速率為1.64 kg m^-2 h^-1，光熱轉換效率為91％。對蒸發器表面溫度分布進行觀測發現，蒸發器表面形成了從橋頂到橋底的溫度梯度分布。

圖3 蒸發器排鹽機理探究

  在仿豬籠草微坑凹槽的作用下，蒸發器表面上形成的連續水膜由上下兩層構成：下層的限域層與上層的自由流動層。下層的限域層保持水膜的連續以快速補充液體；上層的自由流動層由于溫度梯度引起的Marangoni對流速度足夠快，可以抑制鹽在高溫區域的積聚，實現長時期穩定排鹽。即使在10 wt% NaCl的鹽水中連續蒸發200 h，蒸發器結構表面也無鹽分析出，為實現自動化連續海水淡化提供了新的策略。

圖4 蒸發器的水凈化能力與農作物種植

  該研究還創新發展了海水淡化太陽能蒸發器的應用，搭建出海水淡化-作物種植連動系統，將獲得的清潔水用于作物種植，為可持續海島農業種植提供了一種有前景的方案。獲得的清潔水達到WHO的飲用標準，細胞毒性檢測驗證了其生物安全性。

  該工作以“3D Printing a Biomimetic Bridge-Arch Solar Evaporator for Eliminating Salt Accumulation with Desalination and Agricultural Applications ”為題發表在《先進材料》上。論文的第一作者為中科院化學所碩士生鄒苗苗，通訊作者為宋延林研究員與吳磊副研究員。該項工作得到了科技部、國家自然科學基金委、北京分子科學國家研究中心、中國科學院青年創新促進會的支持。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102443