中国海洋大学徐晓峰教授AM: 多材料3D打印实现太阳能耦合浓盐水资源化

第一作者：李晶晶

通讯作者：徐晓峰，汪志航

通讯单位：中国海洋大学材料科学与工程学院

论文DOI：10.1002/adma.202517244

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近日，中国海洋大学材料科学与工程学院徐晓峰教授、德比大学科学与工程学院汪志航博士等研究团队共同合作，在多材料3D打印实现高效太阳能海水淡化与盐分收集领域取得突破性研究成果。研究团队通过多材料直接墨水书写技术（DIW），在指定的空间位置精确沉积不同的光热墨水，成功构建了3D光热梯度气凝胶矩阵（AM），制备了成分、结构与功能多样性的3D蒸汽发生器（3D SGs）和太阳能结晶器（SCs），实现了在宽盐度范围（3.5% − 25%）内的高效太阳能海水淡化和盐分收集。该光热墨水主要由固定成分纤维素纳米纤维（CNFs）、甲基丙烯酸化海藻酸钠（MA-SA）、碳纳米管（CNTs）和可变成分不同浓度的两性离子预聚物（如PDMAPS）组成，协同提升了墨水的可打印性和打印精度，也实现了功能可调性。在1个太阳和2 m s−1的风速下，3D SGs在海水中的最高蒸发速率达到17.9 kg m−2 h−1，比淡水中的蒸发速率高出10.5%，也是无风条件下的6倍多，即使在25%的盐水中，蒸发速率仍能保持在6.6 kg m−2 h−1。此外，通过重新排列矩阵单元，进一步开发的3D SCs用于局部盐结晶和溶质分离，在20%的盐水中产生了269.3 g m−2 h−1的盐收集速率。该工作首次实现了多材料打印技术在3D SGs和SCs可控制备中的应用，制备了可定制形状和功能的光热材料，这些材料不仅在海水中的蒸发速率高于淡水，而且在极端盐度下也能有效稳定运行。相关成果以“Tailor-Made Solar Desalination and Salt Harvesting from Diverse Saline Water Enabled by Multi-Material Printing”为题，于2025年10月23日发表于《先进材料》（Advanced Materials）杂志。

论文链接：http://doi.org/10.1002/adma.202517244

背景介绍

全球淡水资源短缺的问题日益严峻，严重威胁着人类社会的可持续发展，特别是在基础设施匮乏的偏远地区，居民获取安全饮用水面临严峻困难。虽然反渗透、膜蒸馏等传统水处理技术取得了一定进展，但高能耗、高成本及潜在二次污染等问题限制了其广泛应用。近年来，太阳能界面蒸发技术因可持续、低能耗等特性展现出独特优势，该技术通过将光热转换限制在空气-水界面处并显著提升蒸发效率。然而，常规制造方法制备的传统气凝胶、水凝胶和泡沫等光热材料受限于各向同性的三维结构，难以实现性能优化和功能集成；现有3D打印技术制备的蒸汽发生器也存在内部孔隙结构单一、盐结晶控制困难等问题，难以在高盐环境下实现稳定运行，限制了其进一步使用。因此，如何通过3D打印技术实现连续制造具有各向异性和区域特定功能的光热材料是界面蒸发领域在结构设计和制备方面的一大问题。

本文亮点

1. 光热墨水中的固定组分（CNFs、MA-SA和CNTs）确保了材料的可打印性、结构完整性和机械强度，而可变成分（两性离子聚合物）则精确调控了AM单元内的晶格几何结构、孔隙结构、毛细作用力、溶胀行为和抗聚电解质效应。毛细作用与聚合物溶胀行为协同促进了AM单元内的盐溶液吸收和水分扩散，而抗聚电解质效应则显著增强了3D SGs的耐盐性。通过分步打印、合理集成及阳离子调控交联不同AM单元，在3D SGs和SCs中成功实现了成分-结构-功能的异质性设计，这是传统单一材料3D打印方法无法实现的。

2. 具有华夫格图案表面和多尺度分级孔结构的晶格显著增加了光热面积和蒸发速率，增强了对阳光、气流和环境能量的利用。两性离子的引入在海水中产生了显著的抗聚电解质效应，屏蔽了聚合物链段之间的相互作用，也暴露出更多的离子基团与水分子发生相互作用；同时，引入的二价阳离子（Ca2+、Cu2+和Co2+）的强溶剂化作用也削弱了水分子的氢键，破坏了原始的水分子结构。这些协同效应增加了中间水含量，从而加速了3D SGs的蒸发，使其不仅在海水中的蒸发速率高于淡水，而且在极端盐度下也能有效稳定运行。

3. 通过改变墨水和重新排列AM单元，制备的SCs可实现局部盐结晶和溶质分离。此外，合成的其他两性离子单体（CBMA、SBAA和VBIPS）也被成功引入AM单元，展示了墨水配方、阳离子交联和梯度结构在制造3D SGs和SCs方面的广泛适用性。进一步地，为了评价实际实施情况，本工作也评估了3D SGs和SCs在中国7个沿海城市和盐场的蒸发速率和盐收集速率，揭示了多材料打印的3D光热矩阵在高效、大规模清洁水和盐生产方面的巨大潜力，实现了基础设计与不同盐水环境实际应用的有效衔接。

图文解析

图1. 光热墨水的特性与打印工艺优化。

要点：

1.材料组分设计与交联机制：固定组分（CNFs、MA-SA、CNTs）形成结构骨架，而可变成分（两性离子预聚物PDMAPS）则通过抗聚电解质效应动态调节材料性能。合成的MA-SA同时具备UV引发共价交联和阳离子离子交联的双重功能，为构建稳定的三维网络和促进海水蒸发提供了基础。（图1a）

2.多材料打印与梯度结构构建：通过独立控制三个针头和分别定制打印路径，实现了AM-0/2/5/8四种单元的交替沉积，形成了具有梯度孔结构、抗盐性能的3D SGs和局部盐结晶、定点盐收集的3D SCs。（图1b）

3.流变学性能与可打印性：所有光热墨水均呈现显著剪切稀化行为（粘度从468.32 Pa·s降至1.90 Pa·s），保证顺畅挤出；同时具备快速凝胶-流体转变能力，确保打印形状的即时固定。（图1c、d）

4.打印参数优化与精度调节：通过系统优化打印压力和喷嘴移动速度，实现了高精度打印（图1e）。图1f显示打印精度较高：铺展比（SR）为1.2（接近理想值1），120°角保真度（AF）为1.01，打印性指数（Pr）为1.56，证明该墨水能精确打印复杂的三维结构。

5.结构表征与孔隙调控：微距照片（图1g）和Micro-CT（图1h）直观展示了梯度打印光热矩阵的结构。通过密度计测试和定量分析（图1i），发现孔隙率随PDMAPS含量增加而递减，这种梯度孔结构为后续的定向流体传输奠定了基础。

图2. AM的孔径形貌、传水能力和抗聚电解质性能表征。

要点：

1.梯度孔隙结构与传水能力：SEM清晰展示了AM单元随着两性离子含量的增加呈现从大孔径到小孔径的变化（AM-2平均孔径117.8 μm，AM-8平均孔径11.4 μm）（图2a、b）；AM-2/5/8梯度结构产生定向拉普拉斯压力差（图2e），成功实现”二极管式”单向快速水传输（图2c、d）。

2.盐响应行为与抗盐结晶能力：盐水溶胀实验证实了两性离子的抗聚电解质效应的强度随盐度提升而增强（图2f）；在1个太阳光照下，AM-8在20%盐度下仍无盐析出，展现卓越的抗盐能力（图2i）。

图3. 太阳能脱盐及促进海水蒸发表征。

要点：

1.表面结构设计和气流增强蒸发性能：设计了平面表面和华夫格表面（图3a），具有华夫格图案表面和多尺度分层孔隙的晶格结构显著增加了光热区域和有效蒸发，从而更好地利用阳光、气流和环境能量。

2.两性离子引入和阳离子交联策略协同促进海水蒸发：两性离子和二价阳离子（Ca2+、Cu2+和Co2+）的引入会与海水中的盐离子和水分子发生相互作用，增加中间水含量，促进海水的快速蒸发（图3d-g）。

3.宽盐度范围内的蒸发稳定性：SG2-SG4在宽盐度范围（3.5% − 25%）内保持稳定的蒸发性能，即使在25%的盐水中，蒸发速率仍能保持在6.6 kg m−2 h−1且无盐析出（图3b、c），远超本领域的近期研究（图3f）。

图4. 盐收集表征及全国范围预测。

要点：

1.局部盐结晶的模块化结构设计：通过多材料打印将AM-2（底部，快速输水）、AM-0（中部，诱导结晶）和AM-5（顶部，抗盐结晶）进行空间重组，并进行盐收集测试。（图4a、b）

2.材料普适性与性能对比：通过1H NMR谱图证实了三种新型两性离子单体（CBMA、SBAA、VBIPS）的成功合成（图4c-e）；同时对它们的蒸发性能与集盐能力进行测试（图4f、g）。

3.规模化应用的地理评估：为了评价实际实施情况，本工作评估了3D SGs和SCs在中国7个沿海城市和盐滩的蒸发速率和盐收集速率。（图4h、i）

总结与展望

该研究通过多材料3D打印技术定制SGs和SCs，实现了宽盐度范围（3.5% − 25%）的高效海水淡化和盐分收集。两性离子聚合物引入光热墨水与阳离子交联光热矩阵的协同作用，使SGs在海水中的蒸发速率超过淡水，并在25%的超高盐度下无盐结晶产生；此外，通过排列重组AM，使SCs能实现局部盐结晶和盐分收集。该技术有望在可持续的太阳能耦合浓盐水资源化领域产生深远影响。

文献信息

论文链接：http://doi.org/10.1002/adma.202517244

课题组介绍

徐晓峰教授课题组围绕“太阳能高效转换”和“太阳能-水-空气”相互关系与利用领域，在薄膜太阳能电池与多功能集成、清洁能源耦合海水淡化与资源化、光热复合材料及可控制备、低品位热能制冷复合材料、功能凝胶材料、3D和4D打印技术等方向开展了系统地研究工作。迄今共发表SCI论文110余篇，包括：Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nano Energy、Small、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal和ACS Applied Materials & Interfaces等国际顶尖和权威杂志。论文引用数超过5600次，h因子为43。主持国家自然科学基金面上项目、山东省泰山学者青年项目、山东省自然科学基金青年和面上项目、青岛市自然科学基金、技术服务等项目10余项。授权中国发明专利10余件。参与编写出版英文专注1部。指导本科生、研究生获得国家级和省级科技竞赛奖项10余项。

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