3D打印具有表面结构的双层水凝胶用于高效太阳能蒸汽产生

来源: 热质纳能

淡水供应在人类文明的发展中一直具有重要意义。如今，随着人口的增加，淡水供应的压力逐渐增大，许多国家都面临着淡水短缺的问题。海水淡化是减缓淡水供应压力的有效途径，而目前的海水淡化技术需要巨大的能源消耗，随着能源危机的出现，能源压力将进一步恶化。为了提高海水淡化效率，研究人员提出了各种蒸发方法来实现良好的蒸汽生成，如底部加热、体积加热和界面加热。在这些类型中，界面加热由于其能源效率高、结构简单、体积小等优点而逐渐兴起。而在各种海水淡化技术中，太阳能海水淡化以其环境友好和成本低的优点吸引了研究人员的关注。

最近，各种水凝胶被用于制造界面太阳能蒸发器，包括聚（乙烯醇）、海藻酸钠、聚丙烯酰胺等。对于水凝胶蒸发器，通常通过制造微通道和表面图案来提高蒸发器的性能，而在制造过程中一般使用传统的方法（如盐浸和成型），这些方法的程序通常很复杂，因此阻碍了水凝胶蒸发器的实际应用。近年来，3D打印技术在各个领域吸引了越来越多的关注，但对于3D打印水凝胶蒸发器的可扩展应用，仍有一些挑战性的问题需要解决，如生产率低、抗污性能差、3D打印水凝胶的制造工艺困难等。为此，湖南大学郑雄副教授团队通过3D打印技术制造了一种具有表面结构的新型Janus结构水凝胶蒸发器。并且，该水凝胶作为太阳能蒸发器具有良好的太阳吸收率、低导热性、理想的亲水性和高机械强度。

相关成果以“3D printing double-layer hydrogel evaporator with surface structures for efficient solar steam generation”为题发表在国际分离领域主流期刊《Separation and Purification Technology》(IF= 9.136，JCR一区，中科院一区TOP)上。

研究内容
在这项工作中，为了达到较高的蒸发效率和良好的抗污能力，研究人员创造性地通过3D打印技术制造了一个具有双层Janus结构的水凝胶蒸发器。上层与聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶一致，并添加了炭黑（CB），所设计的表面结构保证了对太阳光照射的有效吸收和蒸发器界面上热量的定位，从而实现更高的能源效率。

下层由PEGDA水凝胶与少量的海藻酸钠（SA）和木质素磺酸钠（SL）组成，这大大改善了PEGDA水凝胶的亲水性。优异的亲水性和在下层构建的微通道通过毛细管效应促进了水在蒸发器中的良好传输，而SL的加入提高了下层的废水处理能力。上层和下层形成了Janus结构，抑制了蒸发器界面上的盐结晶。所设计的蒸发器显示出明显的高蒸发率，达到2.78 kg m -2 h -1，并具有良好的防污和水处理性能。同时，通过实验和数值分析，揭示了蒸发量增强的机制。这项工作证明了3D打印水凝胶蒸发器的概念在太阳能脱盐和废水处理的应用中具有实际意义。

研究数据