南洋理工大学周琨教授团队APR：3D打印仿生太阳能蒸汽发生器被美国科学促进会EurekAlert！亮点报道！

时间: 2024-11-08 00:40:37 |   作者: 快餐类

  全球淡水资源匮乏问题日渐严重。统计表明，现有约20亿人没有办法获得安全的饮用水，预计到2025年，全世界约一半的人口将生活在水资源紧张的地区。太阳能淡化海水作为一种利用可再次生产的能源的技术，在缓解淡水资源短缺问题方面具有非常明显的优势，特别是在阳光充足的沿海地区，如南亚、中东和北非。该技术通过太阳能驱动蒸馏，将海水转化为淡水，不仅技术成熟且成本逐渐下降，还对环境友好，能够减少温室气体排放，有助于实现可持续发展，减少对化石燃料的依赖，积极应对气候平均状态随时间的变化带来的挑战。

  毛细管结构在植物蒸腾作用中起到关键作用，通过毛细作用将水分从根部运输到叶片，并通过蒸腾拉力促进水分的持续运输，保证水分柱的连续性。这一结构不仅维持水分供给，还帮助运输溶解在水中的矿物质和营养物质，支持植物的生长和代谢。制备具有毛细管结构的SSG以仿生蒸腾作用，有助于提高水蒸发速率和自清洁能力。同时，利用3D打印技术制备表面结构较为复杂的SSG，能增加水分与空气的接触面积，加快水的蒸发。

  MJF打印SSG的制造和应用。(A)C@Fe3O4助熔剂的合成过程示意图。(B)MJF测试平台和打印SSG结构的示意图。(C)植物蒸腾作用，树干和多孔材料中水分运输的示意图。(D)太阳照射下 MJF打印SSG表面水的蒸发过程示意图。

  基于金属-有机框架材料衍生助熔剂C@Fe3O4的优异光热转换性能，研究者通过多喷射熔融（Multi Jet Fusion, MJF）粉末床打印技术仿生制备出具有毛细管结构的SSG，并实现了自清洁和快速水蒸发。在制备过程中，首先制备具有优异光热性能的助熔剂，然后利用MJF打印机将含有水溶性耐高温造孔剂的PA12粉末成型为表面具有高精度树状结构的构件，浸泡除去造孔剂后即得到具有毛细管结构的SSG。

  树形结构SSG的结构设计和光热性能。(A)SSG的太阳光反射和吸收曲线D模型及其光学图像。(C)不同太阳辐射强度下树形结构SSG的加热行为。(D)通过红外相机获得的打印树形结构的侧面图和顶视图。(E)树形结构SSG不同位置的气温变化。(F)不同太阳辐射强度下水面上树形结构SSG的加热行为。(G)5个太阳光强下纯水的温度分布，及树形结构SSG在水面和水面以上的表面温度分布的模拟结果，以及水面上树形结构SSG中的水分布。

  研究根据结果得出，所制备的仿生SSG在太阳光谱范围内的平均吸收率约为95%，具备高效的光热转换能力。特别地，在室温25°C、湿度73%、平均太阳光强度约1000 W·m²的条件下，仿生SSG的平均温度上升至42°C。通过COMSOL模拟计算热量和海水在树状结构中的分布，验证了毛细管结构引发的仿生蒸腾作用在水蒸发过程中的重要作用。

  SSG的水蒸发测试。(A)在5个太阳光强下测试时水面上的树形SSG。太阳照射下(B)水和(C)海水蒸发的重量损失与辐照时间的关系图。(D)在1个太阳辐射强度下测试的已发表论文和本研究的能量转换效率和蒸发速率比较。不同太阳辐射强度下打印SSG样品的(E)水和(F)海水蒸发速率。(G) 1个太阳辐射强度下SSG板的自清洁性能。

  水蒸发性能测试根据结果得出，所打印的树状结构仿生SSG在1个太阳光照强度下的水蒸发速率为1.55 kg·m−2·h−1，太阳能转换率高达94.4%。再者，自清洁能力测试根据结果得出，仿生SSG不但可以快速蒸发水分，而且还可通过浓度梯度清理表面积累的盐分，实现自清洁。

  SSG的长期水蒸发性能。(A)SSG进行现场测试的封闭容器。(B)在不同太阳辐射强度下收集水中的离子浓度。(C)SSG板和(D)树状SSG一周的水蒸发性能。(E)由商用打印机MJF 5200 打印的树状SSG。(F)在5个太阳光强下对打印的大面积树状SSG进行12小时的水蒸发测试。

  仿生SSG的现场测试同样证实了其优异的海水蒸发能力，且收集的水中离子浓度远低于世卫组织的标准。所制备的SSG的性能表现在长时间工作后并不会明显衰减，可以在一定程度上完成持续的海水淡化。此外，研究者还通过商用MJF打印机实现了上述仿生树状结构的批量制备，从而为高性能SSG的大规模商业化应用提供了解决方案。

  研究者通过模仿树木的蒸腾作用，制备了具有毛细管结构的仿生SSG，实现了可持续海水淡化，水蒸发速率高达1.55 kg·m−2·h−1。同时，这种仿生SSG的自清洁性和可规模化生产为其宏量应用奠定了基础。这种利用增材制造技术和光热转换进行海水淡化的方法无疑更加节能环保。这一工作也为后续基于MJF打印的SSG大规模生产铺平了道路。

  团队介绍：该论文第一作者为新加坡南洋理工大学博士后研究员侯雁北博士，通讯作者为新加坡南洋理工大学的周琨教授。文章合著者包括南洋理工大学博士生高铭，博士后研究员白雪玉博士、杜和军副教授和惠普公司赵丽华博士。周琨教授课题组依托于惠普-南洋理工大学数字制造联合实验室和新加坡3D打印中心，主要研究粉末床熔融、材料挤出成型、立体光固化、定向能量沉积等先进增材制造技术，包括功能聚合物复合材料及高性能新金属材料研发、先进结构设计和多尺度模拟仿真、增材制造零件宏微观力学性能表征及其应用等。

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