用于双极膜电渗析的智能框架：基于人工智能的电化学性能预测与多目标优化

《Desalination》：Intelligent framework for bipolar membrane electrodialysis: AI-based forecasting and multi-objective optimization of electrochemical performance

本研究开发了一种基于3D打印的多孔复合蒸发器，通过整合二硫化钼纳米花与羧甲基壳聚糖水凝胶，优化了水传输路径和盐结晶区域，在1 sun条件下实现3.05 kg·m?2·h?1的高蒸发速率和91.89%的光热转换效率，并具备优异抗盐性。

　　太阳能驱动界面蒸发（Solar-Driven Interfacial Evaporation, SIE）技术是一种可持续且高效的淡水生产方法，能够通过将太阳能转化为热能，实现水的蒸发与淡水收集。随着全球淡水资源的日益紧张，尤其是由于受污染的水源、极端的气候条件以及水质量监测基础设施的不足，SIE技术在解决水资源短缺问题中展现出巨大的潜力。然而，现有的太阳能蒸发器在机械强度和蒸发效率方面仍存在一定的局限性，限制了其在实际应用中的广泛推广。因此，研究者们不断探索新的材料和结构设计，以提高蒸发器的性能并增强其在高盐度环境下的适用性。

本研究提出了一种创新的高性能太阳能蒸发器，其核心在于将羧甲基壳聚糖（Carboxymethyl Chitosan, CC）与二硫化钼纳米花（MoS? nanoflowers）结合，形成具有优异性能的水凝胶材料。同时，利用3D打印技术构建了多孔互连的通道结构，从而实现了对水传输路径的宏观结构优化。这种设计不仅提高了蒸发器的光热转换效率，还有效减少了蒸发的焓值，使得在光照条件下，蒸发器能够实现更高的蒸发速率。在1个太阳光照条件下，该蒸发器的蒸发速率达到3.05 kg·m?2·h?1，同时光热转换效率高达91.89%。这些数据表明，该蒸发器在性能上显著优于现有技术，具有更高的能量利用效率和更低的运行成本。

除了提升蒸发效率，该蒸发器还展现出卓越的抗盐能力。通过设计不均匀的润湿性表面，蒸发器能够在水盐溶液传输过程中，将盐离子有效地分离并引导至蒸发器边缘的不可渗透层上进行结晶。这种边缘优先结晶的机制有效避免了盐离子在蒸发界面的积累，从而降低了对蒸发效率的负面影响。特别是在高盐度条件下（25 wt%），该蒸发器依然能够维持较高的蒸发速率（2.84 kg·m?2·h?1），并且盐离子主要在3D多孔支架表面结晶，确保了蒸发过程的持续性和稳定性。这一特性使得该蒸发器不仅适用于海水淡化，还能够广泛应用于高盐度废水处理。

此外，该蒸发器在处理染料污染废水方面也表现出色，其对染料的去除率超过了99%。这表明，该技术不仅可以高效地实现水的蒸发和淡水收集，还具备一定的污染物处理能力，为废水资源化利用提供了新的思路。通过结合光热材料与多孔结构，该蒸发器实现了多重功能的集成，包括高效的水蒸发、良好的盐离子管理以及对有机污染物的高效去除，为构建多功能、高效率的太阳能驱动脱盐系统提供了新的解决方案。

在材料选择方面，CC是一种具有优良水溶性和生物相容性的天然高分子材料，其分子链上的羧基（-COO?）和羟基（-OH）能够形成动态的氢键网络，赋予水凝胶良好的亲水性和机械强度。而二硫化钼纳米花则作为一种窄带隙半导体材料，具有广泛的光吸收范围，能够有效捕获太阳光并将其转化为热能。这种材料的结合不仅提高了蒸发器的光热转换效率，还增强了其对不同水质的适应能力。通过冻干工艺，CC水凝胶被稳定地嵌入到3D打印多孔支架的孔隙中，同时保持其独特的多孔网络结构，从而实现了高效的水传输和蒸发性能。

3D打印技术在本研究中发挥了关键作用，它不仅能够精确构建复杂的多孔结构，还能够实现对表面形态的精细调控。这种技术的应用使得蒸发器能够具备更高效的光热转换能力，同时优化了水传输路径，减少了热损失，提高了整体的能量利用效率。通过引入非均匀润湿性表面，蒸发器进一步提升了对盐离子的管理能力，确保了在高盐度环境下的稳定运行。此外，3D打印还使得蒸发器的结构更加坚固，避免了传统水凝胶材料在吸水过程中可能发生的结构膨胀问题，从而延长了其使用寿命。

在实际应用中，太阳能蒸发器需要满足多种要求，包括高蒸发效率、良好的抗盐性能、低运行成本以及环境友好性。当前，许多研究集中在提高蒸发器的光热转换效率和优化水传输路径，以实现更高的淡水产量。然而，对于高盐度环境下的应用，盐离子的积累仍然是一个主要挑战。本研究通过设计边缘优先结晶的表面结构，成功解决了这一问题。这种设计不仅提高了蒸发器的抗盐能力，还确保了其在长时间运行中的稳定性，为实际应用提供了可靠的技术支持。

此外，研究还指出，太阳能蒸发器的结构设计对于其性能至关重要。例如，一些研究通过引入1D水传输路径，结合热绝缘支持层和蜂窝状织物，实现了对水盐传输的优化。这种设计能够通过毛细作用驱动水分子向织物边缘扩散，同时利用织物的亲水性形成盐浓度梯度，促进盐离子在蒸发器边缘的优先结晶。然而，这种方法的蒸发速率仍然受到单一传输路径的限制。相比之下，本研究采用的3D打印多孔结构能够实现更高效的水传输，同时结合不均匀润湿性表面，确保了盐离子的分离和结晶，从而显著提升了蒸发器的整体性能。

在探索太阳能蒸发器的材料和结构优化过程中，研究者们还发现，不同类型的光热材料对蒸发器的性能有着显著影响。例如，基于碳材料的光热蒸发器能够实现高效的光吸收和热转化，但其在高盐度环境下的稳定性较差。而基于金属硫化物的光热蒸发器则表现出更强的化学稳定性和光吸收能力，尤其是在可见光和近红外波段。本研究中使用的二硫化钼纳米花，作为一种典型的金属硫化物，不仅具有优异的光吸收性能，还能够通过其独特的纳米花结构增强光热转换效率。同时，CC的加入进一步提升了蒸发器的亲水性和机械强度，使其在实际应用中更加耐用和稳定。

从可持续发展的角度来看，太阳能蒸发器的开发符合绿色能源利用的趋势，能够减少对传统能源的依赖，降低碳排放。然而，要实现这一技术的广泛应用，还需要解决一些关键问题，例如如何提高蒸发器的机械强度、如何优化其在不同环境条件下的适应性，以及如何降低其制造成本。本研究通过结合CC和MoS?纳米花，利用3D打印技术构建了具有优异性能的蒸发器，为这些问题提供了可行的解决方案。同时，该蒸发器在高盐度条件下的稳定运行，也为其在实际应用中提供了重要的保障。

综上所述，本研究提出了一种创新的高性能太阳能蒸发器，其结合了CC和MoS?纳米花的优势，并利用3D打印技术构建了优化的多孔结构。该蒸发器不仅实现了高效的水蒸发和淡水收集，还具备良好的抗盐能力和污染物去除能力，为构建可持续、高效的太阳能驱动脱盐系统提供了新的思路。未来，随着材料科学和制造技术的进一步发展，这种类型的蒸发器有望在更多领域得到应用，为解决全球淡水资源短缺问题做出更大的贡献。