湖南大学王兆龙课题组：3D打印仿生太阳能蒸发器

自然界的树木依靠其独特的根茎系统，可以从很深的土壤里吸取水分，利用毛细力向上运输到叶片中进行光合作用（图1a）。受此启发，湖南大学王兆龙副教授、段辉高教授与东南大学陈永平教授、北京理工大学孔慧副研究员及上海交通大学郑平院士合作，在《Solar RRL》期刊上发表了题为“3D printed bionic solar evaporator”的文章。该文章利用面投影微立体光刻3D打印技术（摩方精密nanoArch P140高精度3D打印系统）制备了仿生微通道及水凝胶蒸发器样品。在经过处理后，形成了富含碳纳米颗粒的多孔水凝胶网络结构及仿生微通道的复合蒸发器结构。在毛细力的作用下，液体会从微通道底部输运到水凝胶网络中，在太阳光的照射下水凝胶在碳纳米颗粒的光热作用下迅速升温而将水快速蒸发，最终实现太阳能蒸发器吸水和蒸发的动态平衡。

图1 一种仿生太阳能蒸发器。（a）树木吸水及蒸腾作用。（b）多孔水凝胶网络结构及仿生微通道的复合太阳能蒸发器结构。 

具体的加工过程如图2a-b所示，水凝胶蒸发器结构由NIPAAm（聚-N-异丙基丙烯酰胺）与AAm（丙烯酰胺）单体聚合而成，在碳纳米颗粒的修饰下即可实现对太阳能的吸收。水凝胶蒸发器的形貌如图2c所示，内部凝胶网络的孔径为30微米左右，网络上附有一层致密的碳纳米颗粒，颗粒尺寸为20-30纳米左右。

图2 加工过程及形貌表征。（a）水凝胶蒸发器加工过程。（b）微通道加工过程。（c）水凝胶表面形貌及碳纳米颗粒形貌。（d）微通道形状结构。

基于仿生太阳能蒸发器优秀的蒸发性能与液体输运能力，研究人员将其应用在污水降解及海水淡化等应用中去。如图3a所示，污水中的一些大分子颗粒等污染物质会被水凝胶网络吸附，从而达成污水净化的目的。研究人员主要对有机染剂、酸碱以及重金属离子等污染物进行降解研究，对降解前后污染物的浓度进行对比。研究结果如图3b-d所示，仿生太阳能蒸发器对有机染剂的净化效率高达94%，能将酸碱全部过滤掉，对重金属颗粒的净化效果更是高达99.99%。除此之外，研究人员还对该太阳能蒸发器的稳定性进行了探究，如图3e所示，经过连续十四天的连续使用，仍能保持4.12kg/m2 h的蒸发速率以及92.5%的太阳能利用效率，证明了该蒸发器的稳定性。

图3 太阳能蒸发器应用。（a）水凝胶网络的净化与过滤能力。（b）对有机染剂的净化效果。（c）对酸碱的净化效果。（d）对重金属离子的净化效果。（e）太阳能蒸发器的稳定性。

该项研究成果获得国家自然科学基金委，湖南省优秀青年基金，广东省重大专项及国防科工局民用航天项目等研究项目支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/solr.202101063