华中科技大学苏彬教授团队AFM：取得高湿热稳定的太阳能界面水蒸发3D打印器件新进展

来源：高分子科学前沿

太阳能驱动的界面蒸发是海水淡化和废水净化最有前景的技术之一。然而，在水蒸发的过程中，蒸发器不断蒸发水分使得储水槽中的水逐渐减少，甚至变干涸，这将导致蒸发器发生从湿润状态变为半湿润状态，甚至完全干燥状态的物理变化。只有再往储水槽中加入海水或者废水才能维持整个系统的持续进行。在蒸干的过程中，蒸发器底部的亲水材料会发生显著的结构变形，从而导致整个系统的稳定性下降。因此，开发一种用于太阳能界面蒸发的湿-热结构稳定的多孔超亲水材料显得尤为重要。

最近，来自华中科技大学快速制造中心的苏彬教授团队（共同一作为吴振华博士、孙冬博士、石聪灿博士）报道了一种通过SLS 3D打印策略制备的湿热稳定、超亲水的氧化铝基陶瓷，该陶瓷可用于太阳能界面水蒸发，即使在水分完全蒸发后也能保持蒸发器的结构稳定。通过与传统的基于纳米纤维素气凝胶的蒸发器和基于木头的蒸发器对比，氧化铝基陶瓷蒸发器在干燥10次后仍能保持较高的水蒸发速率。最后，作者们打印了“I型”的耐盐蒸发器，并验证了它们可以在蒸发海水和20 wt%盐水的过程中保持高的蒸发速率和耐盐性。本工作制备的湿热稳定的氧化铝基陶瓷将为稳定的太阳能界面蒸发材料的设计和制备提供了灵感，并拓展3D打印功能材料的发展。该工作以“Moisture-Thermal Stable, Superhydrophilic Alumina-Based Ceramics Fabricated by a Selective Laser Sintering 3D Printing Strategy for Solar Steam Generation”为题发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。

图1通过SLS 3D打印技术制备超亲水氧化铝基陶瓷，证实了其快速的抗重力水传输能力。

图2超亲水性氧化铝基陶瓷的参数调节。

图3 不同材料的蒸发器在干燥时的比较，证实了氧化铝基陶瓷太阳能蒸发器的在反复水蒸干过程中的稳定性。

图4 3D打印的湿热稳定、超亲水氧化铝基蒸发器在太阳能界面蒸发和耐盐方面的应用，证实了其耐盐性能以及长时间的稳定性。

总结：该研究报道的通过SLS 3D打印策略制备的湿热稳定、超亲水氧化铝基陶瓷可以用作太阳能蒸发器，以实现稳定高效的蒸发。打印的氧化铝基陶瓷具有超亲水性和优异的水传输能力，其可以在14 ms内沿垂直于打印表面的侧表面快速吸收5 μL水滴。经过十次干燥后，打印样品仍然保持稳定的蒸发效率，这比基于木材/CNFs的蒸发器要好得多。此外，蒸发器在海水和20 wt%的盐水中具有长时间的耐盐性和稳定的蒸发速率。这项研究的重点是研究亲水材料在太阳能界面蒸发过程中的湿热稳定性，将促进稳定的太阳能界面蒸发材料和3D打印功能材料的发展。


参考文献：
Z. Wu, D. Sun, C. Shi, S. Chen, S. Tang, Y. Li, C. Yan, Y. Shi, and B. Su. Moisture-Thermal Stable, Superhydrophilic Alumina-Based Ceramics Fabricated by a Selective Laser Sintering 3D Printing Strategy for Solar Steam Generation. Adv. Funct. Mater. 2023, 2304897.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202304897.