基于生物仿生的复合气凝胶的三维打印技术，用于太阳能蒸汽生成

《Advanced Energy and Sustainability Research》：Three Dimensional Printing of Bioinspired Composite Aerogels for Solar Steam Generation

气凝胶水处理技术通过仿生学设计提升太阳能蒸发效率。研究采用微连续液体界面成型技术制备含石墨烯的多孔气凝胶，其表面沟槽结构结合内部微孔通道实现双模水运输，在标准光照下10分钟内垂直运输距离达2.16厘米，蒸发速率2.1千克每平方米每小时。通过调控丙烯酰胺浓度（60%）和石墨烯掺杂量（0.15wt%）优化材料性能，表面拉普拉斯压力梯度设计显著提升毛细水动力效率。该技术为荒漠地区可持续供水提供创新解决方案。

　　在全球范围内，淡水短缺已成为一个日益严峻的问题，尤其是在人口增长、气候变化以及工业发展加剧水资源压力的背景下。传统的水处理和淡水生产方法，如管道输水、水库蓄水和海水淡化，虽然在一定程度上缓解了用水需求，但其高能耗、昂贵成本以及对特定地理条件的依赖性限制了其广泛应用。因此，开发可持续、高效且经济的水净化技术显得尤为重要。近年来，太阳能蒸汽发电（Solar Steam Generation, SSG）作为一种利用太阳能驱动水蒸发的新兴技术，受到了广泛关注。SSG通过吸收太阳能并将其转化为热能，促使水从液态转变为气态，随后在蒸发界面凝结形成可饮用的淡水。这一过程不仅能够实现高效的淡水生产，还能在蒸发过程中将盐分、重金属及其他污染物分离，从而实现污水净化和海水淡化双重目标。

在SSG系统中，材料的选择和结构设计对整体性能具有决定性影响。其中，气凝胶因其独特的多孔结构和优异的水吸附能力，被认为是理想的SSG材料。气凝胶能够迅速吸收水分，并通过内部的毛细作用将水输送到蒸发界面，进而提升蒸汽生成效率。然而，传统气凝胶在水传输方面存在一定的局限性，主要依赖于单一的毛细传输机制，难以实现高效、稳定的水输运。为了突破这一瓶颈，研究人员从自然界中汲取灵感，特别是从沙漠植物（如Digitaria californica）的水传输机制中获得了启发。这些植物在干旱环境中展现出一种“双模式”水传输机制，即水既通过内部维管束系统（xylem）从根部吸收，又通过叶片表面的沟槽结构实现表面毛细流动，从而实现了高效水分布。这一自然界的双重传输机制为人工气凝胶的设计提供了新的思路。

基于这一灵感，研究团队设计并制备了一种新型的气凝胶材料——掺杂还原氧化石墨烯（rGO）的聚丙烯酰胺（PAAm）气凝胶，并通过工程化的表面沟槽结构进一步优化其水传输性能。这种材料的制备过程采用了微连续液界面生产（μCLIP）技术，这是一种高速的3D打印方法，能够在短时间内完成复杂结构的构建。随后，通过冷冻干燥技术调整气凝胶的孔隙率，使其具备更高效的水传输能力。实验结果表明，这种表面沟槽设计的气凝胶在10分钟内实现了2.16±0.11厘米的垂直水传输距离，初始水传输速度达到了0.80厘米/秒，远远优于传统气凝胶的传输性能。此外，该气凝胶在标准太阳辐射（100 mW·cm?2）下表现出2.1 kg·m?2·h?1的蒸发速率，这一数值与文献中报道的其他结构设计的气凝胶性能相当，甚至在某些方面更具优势。

为了进一步提升气凝胶的性能，研究团队还对rGO的掺杂浓度进行了系统研究。实验发现，随着rGO含量的增加，气凝胶的表面温度也随之升高，从而显著提升了蒸发速率。当rGO浓度为0.15 wt%时，气凝胶表面温度达到了43.83±0.29°C，对应的蒸发速率达到2.1 kg·m?2·h?1，显示出其在太阳能驱动水蒸发方面的巨大潜力。这一结果表明，rGO的高效光吸收特性不仅增强了材料的热转化能力，还促进了水的快速蒸发，从而提高了SSG系统的整体效率。同时，通过控制rGO的分散均匀性，研究团队成功避免了因粒子沉降导致的材料不均问题，使得气凝胶在结构和性能上均达到理想状态。

除了材料的优化，研究团队还对气凝胶的3D结构进行了深入探索。通过设计不同类型的表面沟槽结构，他们发现“反向拉普拉斯（Reverse Laplace）表面沟槽”设计在水传输效率方面表现最为突出。这种结构利用了拉普拉斯压力梯度效应，使得水能够更有效地沿着沟槽流动，从而减少了传输阻力并提高了整体效率。相比之下，传统的“直线沟槽”结构仅依赖于毛细作用，而“内部反向拉普拉斯”结构则因沟槽直径较大，导致传输效率下降。因此，选择“反向拉普拉斯表面沟槽”作为最终的结构设计，不仅提升了水的传输速度，还优化了蒸发界面的水供给效率，从而提高了SSG系统的整体性能。

在制备过程中，研究团队采用了一种创新的3D打印技术——μCLIP，该技术具有打印速度快、精度高、结构复杂度可控等优点，非常适合用于制造具有精细表面结构的气凝胶。通过μCLIP技术，研究团队能够在30分钟内完成3厘米长的rGO/PAAm气凝胶结构的打印，这一速度远高于传统3D打印方法（如直接墨水书写DIW和数字光处理DLP），后者通常需要超过250分钟才能完成类似结构的打印。此外，由于μCLIP技术能够连续地进行树脂补给，避免了因长时间打印导致的rGO粒子沉降问题，从而保证了材料的均匀分布和结构的稳定性。

为了验证气凝胶的性能，研究团队对其进行了多方面的表征分析。包括使用扫描电子显微镜（SEM）观察其内部孔隙结构，利用光学图像和宏镜头记录水传输过程，并通过红外相机监测表面温度变化。这些表征手段不仅帮助研究人员确认了气凝胶的结构特征，还为评估其在实际应用中的性能提供了可靠的数据支持。实验结果显示，气凝胶在水传输和蒸发效率方面均表现出优异的性能，特别是在水传输速度和饱和吸收能力方面，其表现优于其他结构设计的气凝胶。这一结果表明，通过模仿自然界的水传输机制，结合先进的3D打印技术，可以显著提升人工气凝胶的性能，使其更适用于实际的水净化和淡水生产场景。

在水传输性能方面，研究团队通过一系列实验评估了不同rGO浓度和不同表面结构对水传输效率的影响。实验发现，当rGO浓度为0.15 wt%时，气凝胶的水传输能力达到最佳状态，不仅实现了较高的水传输速度，还显著提升了蒸发速率。这一发现为后续的SSG系统优化提供了重要依据，表明rGO的掺杂浓度是影响材料性能的关键因素之一。此外，表面沟槽结构的优化也对水传输效率产生了显著影响，其中“反向拉普拉斯表面沟槽”结构因其对拉普拉斯压力梯度的利用，表现出最高效的水传输能力。这一结构设计不仅增强了水在垂直方向上的流动性，还减少了水在传输过程中的能量损失，从而提高了SSG系统的整体效率。

从实验数据来看，气凝胶在10分钟内能够吸收0.45±0.01克的水分，并在蒸发过程中表现出较高的水蒸发效率。这一结果表明，气凝胶不仅具备良好的水吸收能力，还能够在短时间内将水分输送到蒸发界面，从而实现高效的蒸汽生成。此外，气凝胶的高孔隙率和低密度（约0.29 g·cm?3）也为其在实际应用中的轻量化和大规模生产提供了可能。研究团队进一步指出，这种气凝胶的结构设计能够有效减少水在传输过程中的阻力，从而提高整体系统的效率。同时，通过控制冷冻干燥的条件，研究团队还能够调整气凝胶的孔隙率，使其更适应不同的水处理需求。

除了材料和结构的优化，研究团队还关注了气凝胶在实际环境中的应用潜力。他们指出，尽管实验室条件下气凝胶表现出优异的性能，但在实际应用中仍需克服一些挑战，如冷冻干燥过程中可能产生的结构不均匀性，以及长期使用下的材料稳定性问题。为了应对这些挑战，研究团队提出了一系列改进措施，包括优化冷冻干燥参数、改进rGO的分散技术，以及对气凝胶的长期耐久性和循环性能进行评估。此外，他们还建议在未来的研究中，进一步探索气凝胶在不同环境条件下的表现，例如在高盐度水、工业废水和雨水收集等场景中的应用。

研究团队还强调了该研究在可持续发展和环境保护方面的意义。通过模仿自然界的水传输机制，这种新型气凝胶不仅能够高效地实现淡水生产，还能在蒸发过程中有效去除污染物，从而减少对环境的二次污染。这种材料的开发为解决全球水资源短缺问题提供了一种新的思路，同时也为环保型水处理技术的发展开辟了新的方向。此外，该研究还展示了3D打印技术在材料科学中的巨大潜力，特别是在复杂结构制造和功能材料开发方面。通过结合先进的制造技术与生物启发设计，研究团队成功实现了对气凝胶结构的精准控制，使其在水传输和蒸发效率方面均达到理想水平。

值得注意的是，该研究不仅在实验室条件下取得了成功，还为未来的大规模生产和实际应用奠定了基础。研究团队指出，随着3D打印技术的不断进步，这种新型气凝胶有望实现工业化生产，从而在干旱地区、偏远地区以及水资源紧张的城市中发挥重要作用。此外，该研究还为其他类型的水净化材料提供了设计灵感，例如在膜分离、吸附材料和光催化材料等领域，均可以借鉴这种双模式水传输机制。这种跨学科的研究方法不仅推动了材料科学的发展，也为环境工程和可持续技术的创新提供了新的可能性。

总体而言，这项研究通过结合生物启发设计和先进制造技术，成功开发出一种具有高效水传输和太阳能蒸发能力的新型气凝胶材料。这种材料不仅在实验室条件下表现出优异的性能，还具备良好的应用前景。未来的研究将进一步优化材料的结构和性能，提高其在实际环境中的稳定性和耐久性，同时探索其在不同水处理场景中的适用性。此外，研究团队还计划对材料的长期循环性能进行评估，以确保其在实际应用中的可持续性和可靠性。通过这一系列研究，他们希望为全球水资源短缺问题提供一种更加环保、高效且经济的解决方案。