《NML》东华大学团队：3D打印分级结构水凝胶蒸发器实现协同盐管理与光催化净化！

1. 创新点：
2. 1.分级孔道，排盐自清通过直写打印构建垂直排列的网格结构，毫米级通道促进水快速补给和盐反向扩散，有效抑制盐结晶。
3. 2.光热催化，双效并举将炭黑（CB）与金属有机框架PCN-224集成于水凝胶中，CB提供高效光热转换，PCN-224贡献可见光光催化，二者协同增强蒸发与污染物降解。
4. 3.高速产水，高效净污在1个太阳光照下蒸发速率达2.04 kg m⁻² h⁻¹，在1.5 kW m⁻²光照下60分钟内降解96.5%的罗丹明B（RhB）。

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研究背景

界面太阳能驱动水蒸发是一种可持续的清洁水生产技术，但在处理高盐工业废水时面临两个关键瓶颈：高盐度导致盐结晶堵塞蒸发器，而复杂有机污染物会污染系统并降低产水水质。传统光热蒸发器往往只关注水蒸发效率，忽视了同步去除有机污染物的需求。近年来，研究人员尝试将光催化剂（如金属氧化物、石墨烯、金属有机框架）集成到太阳能蒸发器中，以期实现水蒸气产生与污染物降解的协同。然而，如何在不影响水传输和光吸收的前提下有效负载光催化组分，并同时解决高盐环境下的盐结晶问题，仍是设计中的核心挑战。

内容简介

针对上述瓶颈，东华大学高婷婷/李发学/张瑞云团队通过合理材料复合与3D打印结构设计，开发了一种多功能光热水凝胶蒸发器（PCN-224/CB@NFC/SA）。该复合体系以海藻酸钠（SA）为基体、纳米原纤化纤维素（NFC）为增强相，引入炭黑（CB）作为光热转换材料、PCN-224作为光催化剂，并通过离子键和氢键形成多交联网络。利用直写3D打印技术构建了垂直排列的网格结构，形成分级流体通道，同时实现快速水传输和离子反向扩散。在1个太阳光照下，该蒸发器达到2.04 kg m⁻² h⁻¹的高蒸发速率，且在3.5 wt%盐水中保持稳定；在1.5 kW m⁻²光照下，60分钟内可降解96.5%的RhB。该工作为高盐废水中同步实现清洁水生产和污染物降解提供了一种高效、环保的解决方案。

图文导读

1.3D打印格栅水凝胶蒸发器的结构与多功能协同

如图1所示，研究团队利用直写3D打印技术构建了具有垂直排列毫米级格栅的水凝胶支架。墨水由海藻酸钠（SA）、纳米原纤化纤维素（NFC）、炭黑（CB）和PCN-224组成，经CaCl₂交联后形成机械稳定的多孔结构。PCN-224均匀分布于支架中，为光催化提供活性位点。这种分级多孔结构（大孔~1×1 mm²，微孔20-80 μm）实现了水快速补给、蒸汽高效逸散和盐离子反向扩散的协同。

图1.3D 打印格栅水凝胶蒸发器的制备流程、材料组成与多级孔结构表征。

2.光热管理与蒸发：协同光吸收与降低蒸发焓

CB@NFC/SA和PCN-224/CB@NFC/SA的光吸收率分别达到95.7%和94.0%，远高于纯NFC/SA（29.9%）（图2）。PCN-224本身具有强可见光吸收，且与CB之间存在电子相互作用，促进电荷分离并增强光热转换。在1个太阳光照下，PCN-224/CB@NFC/SA的表面温度升至47.2 °C，比纯CB样品高1.3 °C，表明PCN-224提供了额外光热贡献。该蒸发器的等效蒸发焓低于纯水，归因于PCN-224微孔产生的纳米限域效应，将自由水转化为中间水。最终，3D打印网格结构的蒸发速率（2.04 kg m⁻² h⁻¹）比实体块（1.47 kg m⁻² h⁻¹）提高39%，能量效率达88.6%。

图2.3D打印格栅水凝胶的光热协同及水蒸发性能。

3.垂直通道与马兰戈尼对流：低曲折度结构实现高效排盐

3D打印网格结构的曲折度仅1.25（实体块为6.29），离子传输电阻低至300 Ω（实体块5000 Ω）。如图3所示，在3.5 wt% NaCl溶液中连续蒸发8小时，表面无可见盐结晶。即使在20 wt%高盐度下，蒸发速率仍保持在1.43 kg m⁻² h⁻¹。将固体NaCl置于蒸发器顶部，33分钟内完全溶解并回流至水体，盐反向扩散通量达4.125 kg m⁻² h⁻¹（实体块仅0.75 kg m⁻² h⁻¹）。这种高效排盐归因于垂直温度梯度（10.3 °C）和盐度梯度诱导的马兰戈尼对流，以及低曲折度通道的快速离子扩散。

图3.不同结构蒸发器的抗盐性能对比及盐回流现象。

4.氯离子介导+电荷转移增强：高盐条件下加速RhB降解并降低吸附能

传统太阳能蒸发器在处理含有机污染物的高盐废水时，往往因盐结晶导致光催化剂失活，且高温下物理吸附的染料易脱附重新释放，无法实现真正的净化。针对这一难题，本研究系统考察了PCN-224/CB@NFC/SA在不同盐度和光照条件下的光催化降解性能，并深入揭示了高盐环境意外促进催化的内在机理。

在优化条件（10 wt% NaCl、50 °C）， 1.5 kW m⁻²光照下，60分钟内降解RhB效率达到96.5%。该系统在10次循环后仍保持92.2%以上的效率，并在含RhB的10% NaCl溶液中稳定蒸发12小时，结构完整性良好。

电子顺磁共振（EPR）揭示了活性物种的生成规律。在盐存在下，单线态氧（¹O₂）信号显著增强，同时光生空穴（h⁺）的捕获信号（TEMPO）明显减弱，表明Cl⁻被h⁺氧化，加速了空穴的消耗。自由基淬灭实验进一步证实：加入¹O₂捕获剂（L-组氨酸）后，降解效率从84.6%骤降至11.41%，而·OH和·O₂⁻捕获剂仅轻微抑制效率（分别降至83.4%和75.6%）。这表明¹O₂是主导的活性氧物种。同时，加入空穴捕获剂（EDTA）后效率降至50.0%，说明光生空穴也参与了氧化路径。因此，Cl⁻充当了空穴捕获和电荷转移的介质，促进了电荷分离和¹O₂的生成。

为了从理论上验证盐促进效应，采用密度泛函理论（DFT）进一步计算。电荷密度差（CDD）图显示，Cl⁻引入后，PCN-224与RhB之间的界面电荷重新分布更加显著：RhB分子周围的电子积累明显增强，PCN-224骨架上的电子耗尽更加剧烈，表明界面电荷转移得到加强。AIM电荷分析定量证实，Cl⁻的引入使电荷转移量从0.402 e增加到0.732 e。同时，吸附能从-0.92 eV降低至-2.23 eV，意味着Cl⁻极大地增强了RhB与催化剂表面的吸附相互作用。这些计算结果表明，Cl⁻通过增强界面电荷转移和吸附强度，共同促进了高盐环境下的光催化性能。

基于上述盐促进光催化的机理，我们进一步将PCN-224/CB@NFC/SA与冷凝收集装置集成，构建了集蒸发-降解-冷凝于一体的废水处理系统，并直接用于实际印染废水的净化。结果表明，该系统对COD的去除效果显著，从1828 ppm大幅降至25 ppm；同时，重金属锑（Sb）的浓度由8.09 mg L⁻¹降至检测限以下，产水无色透明。

图4.不同条件下的RhB降解效率、EPR谱图、DFT电荷密度差及实际废水处理效果。

总结

本研究成功设计并制备了一种多功能3D打印水凝胶蒸发器（PCN-224/CB@NFC/SA），将光热蒸发、抗盐和光催化降解集成于单一平台。垂直排列的网格结构通过低曲折度通道实现了高效水传输和盐反向扩散，有效抑制盐结晶。由炭黑和PCN-224组成的双功能光热-光催化系统，在1个太阳下达到2.04 kg m⁻² h⁻¹的高蒸发速率，并在1.5 kW m⁻²光照下60分钟内降解96.5%的RhB。该系统还能有效处理实际印染废水，显著降低COD并去除有机污染物。该工作为太阳能驱动水生产和净化提供了一种可规模化、环境友好的策略，为应对复杂工业废水挑战提供了有前景的解决方案。

作者简介

高婷婷

本文通讯作者东华大学副教授

主要研究领域: (1) 太阳能界面蒸发；(2) 热管理功能纺织品；(3) 可穿戴能源存储器件。

简介：东华大学纺织学院副教授。主要从事功能化纺织材料的结构设计及性能研究，侧重于纺织功能材料在太阳能界面蒸发、热管理功能纺织品和可穿戴能源存储器件方面的应用研究。近年来发表SCI论文40余篇，总被引4000余次。主持承担了国家自然科学基金、上海市青年科技英才扬帆计划项目、中央高校基本科研业务费专项资金自由探索项目等。目前担任Advanced Functional Materials, Water Research, Textile Research Journal等SCI期刊审稿人

Email：gaott@dhu.edu.cn

李发学

本文通讯作者东华大学教授

主要研究领域: (1) 功能纤维设计与制备（阻燃、弹性、吸附、生物降解等）；(2)高保形与高舒适纺织品（弹性、轻质、保暖等）；(3)纺织印染废水处理（吸附与膜分离）；（4）催化剂设计与成纤聚合物合成。

简介：东华大学纺织学院教授。主要从事新型纤维材料的结构设计、制备及功能性应用研究。主持承担了国家重点研发计划项目、国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金项目及企业委托项目等20余项。发表论文100余篇，其中SCI收录论文90余篇，授权国家专利10余项。2016年荣获中国纺织工业联合会科技进步奖一等奖1项（省部级奖项），中国纺织工程学会高级会员，中国纺联“功能聚酰胺纤维”行业重点实验室主任，《东华大学学报（自然版）》编委，国家科学技术奖专家库成员。

Email：fxlee@dhu.edu.cn

张瑞云

本文通讯作者东华大学教授

主要研究领域: (1) 新型纤维、高品质及功能面料设计与开发；(2)天然纤维深度加工技术；(3) 数字化纺织技术（纺织品CAD、颜色数字化、图像检测与表征、深度学习）；（4）文化创意产品设计。

简介：东华大学纺织学院教授。纺织学院纺织品设计与产业经济系主任，纺织行业纺织品设计与技术重点实验室主任，中国纺织工程学会服装服饰专业委员会副主任、标准化工作委员会委员，国家重点学科硕士点负责人，国家先进印染技术创新中心特聘专家。先后主持或参与各类国家和省部级科技项目、地方及企业项目60多项；获国家发明专利授权50余件，发表研究论文180余篇。以第一完成人身份获国家科技进步二等奖1项，获中国纺织工业联合会和山东省科技进步奖10项。入选中国纺织工程学会会士、纺织学术带头人、上海市巾帼创新领军人物、泰山产业领军人才等。

Email：ryzhang@dhu.edu.cn

来源：光热电能与界面化学