《Journal of Cleaner Production》：3D-printed fish-scale dam-like structured photothermal evaporators based on thiol-ene click chemistry for solar-driven freshwater production and salt recovery
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太阳能驱动蒸发器通过3D打印结合硫醇点击化学技术制备鱼鳞状结构，集成碳纳米管提升光热转换效率达88.93%，有效处理高盐废水并产水达标。
杨立轩|傅晓宇|徐志涵|周飞月|桂景星|薛玉婷|马宇轩|于丹|王伟
东华大学化学与化学工程学院，上海，201620，中国
摘要
太阳能驱动的界面蒸发技术为工业废水处理提供了新的解决方案。本研究旨在将3D打印技术与硫醇点击化学反应相结合，在40分钟内精确制造出五种鱼鳞坝状蒸发器，并成功将碳材料整合到打印结构中，使其具有优异的光热性能。该蒸发器利用戊二糖四（3-巯基丙酸酯）（PEGDA）和聚乙二醇二丙烯酸酯（PETMP）通过硫醇-烯点击化学反应构建多孔聚合物网络，并使用羧基化多壁碳纳米管（MWCNTs-COOH）作为光热材料。借鉴鱼鳞坝的多层结构来增强光散射和反射，延长水在光热材料表面的停留时间，并利用梯度结构产生马兰戈尼效应，实现了太阳能利用与流体调节的跨尺度耦合，显著提高了蒸发效率。在一种太阳光强度条件下，该蒸发器的蒸发速率为1.704 kg m?2 h?1，光热转化效率为88.93%。它能够稳定处理不同盐度的水和其他各种废水净化情况。收集到的水符合相关饮用水标准。在处理高盐度印染废水时，盐的收集速率为0.1742 kg m?2 h?1，水的收集速率为0.72 kg m?2 h?1
引言
随着工业化进程的加快，全球工业废水排放量持续增加，给环境带来了巨大压力，也催生了庞大的废水处理市场（Ding等人，2024年）。印染行业是水资源的主要消耗者，产生了大量的废水（Rajni等人，2025年；Xu等人，2025年）。与普通工业废水相比，其处理难度更高，如高色度、高盐度和复杂成分。传统的处理方法如化学沉淀（Liu等人，2016年；Shakib等人，2025年；Wu等人，2024年）和反渗透（Gonzales等人，2023年，2025年；Li等人，2025年）存在能耗高、易产生二次污染和设备寿命有限等问题，难以满足可持续发展的需求。太阳能驱动的界面蒸发技术凭借其高效的能量利用（Jin等人，2023年）、低运营成本（Geng等人，2020年）、简单可靠的设备结构以及广泛的环境适应性，为工业废水处理提供了极具潜力和可持续的解决方案（Ding等人，2023年）。
在太阳能驱动的界面蒸发器的设计中，优异的光热转化效率（Chen等人，2025年；Xiao等人，2025年）、快速的水分传输（Gong等人，2024年；Zhu等人，2025年）、有效的热管理（Arshad等人，2024年；Chang等人，2024年）以及合理的结构设计（Sun等人，2023年；Wang等人，2023年）起着关键作用。先前的研究表明，使用高性能材料和创新的结构设计可以显著提高太阳能界面蒸发的效率（Duan等人，2025年）。Wang等人通过硫脲和五水合硝酸铋的溶剂热过程合成了花状硫化物纳米结构。利用油酸钙前驱体通过溶剂热方法制备了超羟基磷灰石纳米线。Wang等人使用花状硫化物纳米结构、MXene、聚乙烯醇和羟基磷灰石纳米线作为基底，通过冷冻干燥制备了锥形阵列结构的太阳能蒸发器（Wang等人，2025年）。Liu等人利用激光直写技术制造了一种具有双层结构的木质素基水凝胶蒸发器，该蒸发器顶部表面疏水，底部表面亲水。这种蒸发器在海水淡化和废水处理方面展现出巨大潜力（Liu等人，2025年）。Ding等人提出了一种受红树林盐分分泌和海水运输机制启发的仿生太阳能蒸发器，它具有外部光热层和内部供水通道，能够使用较少的光热材料高效连续地蒸发接近饱和的盐水（Ding等人，2025b）。这些研究往往涉及繁琐的制备过程，严重阻碍了它们的推广和应用。因此，迫切需要设计出高效且可扩展的解决方案来应对这些挑战。
近年来，3D打印技术因其显著优势逐渐成为研究人员的关注焦点。这项技术具有快速原型制作的能力，能够在短时间内将设计模型转化为实物，大大缩短了产品开发周期。同时，它可以轻松制造出结构复杂的部件，突破了传统制造工艺的几何限制。在仿生材料生产领域，3D打印技术开辟了新的途径。它可以精确控制材料的局部结构，这意味着研究人员可以根据仿生学原理模拟生物体的微观结构和功能特性，制造出具有复杂形状和特定功能的仿生材料（Torres等人，2025年）。根据实际需求精确控制材料性能的能力促进了高性能光热材料和设备的研究与开发，为提高能量转化效率和系统性能提供了有力支持（Ding等人，2025a）。3D打印技术可以分为立体光刻（SLA）（Tawk和Alici，2021年）、DLP（Yin等人，2019年）、熔融沉积建模（FDM）（Yu等人，2024年；Zhu等人，2023年）等。Ma等人（2024年）使用聚乳酸和碳纤维作为原料，通过一步熔融沉积建模3D打印工艺制备了栅栏式太阳能蒸发器。与DLP打印相比，FDM打印速度较慢，精度相对较低。DLP 3D打印技术因其高分辨率、高打印速度（Nielsen等人，2020年）和高精度（Quan等人，2020年）等优点而受到广泛关注。选择DLP打印墨水时需要特别注意成型速度和流动性，这对提高打印效率和精度至关重要（Goodarzi Hosseinabadi等人，2023年）。点击化学反应在材料制备领域显示出巨大的应用潜力，因其反应条件温和、选择性高和反应速度快（Agrahari等人，2021年；Zhou等人，2025年）。例如，硫醇-烯点击化学已被用于光聚合系统中，以实现快速反应动力学和提高打印效率。然而，为了实现黑色样品的打印，树脂中的MWCNTs-COOH会吸收大量紫外线，限制光的穿透深度，导致固化区域不足，影响层间结合。这种光吸收效应可能导致打印失败。因此，为了改善打印效果，需要优化MWCNTs-COOH的浓度，调整树脂比例，或采取其他技术措施来平衡黑色效果和光的穿透，从而确保足够的固化和牢固的层间结合。因此，这两种技术的结合也意味着技术探索或突破。
基于这些先进的制造能力，我们引入了一种新型的鱼鳞坝状分层结构，精心设计以克服传统平面蒸发器的局限性。这种仿生结构具有多方面的优势。首先，其独特的多层次和重叠排列显著增强了材料内的光散射和反射路径，从而大大提高了整体光吸收效率，而传统平面表面仅依赖于表面吸收（Zhou等人，2024年）。其次，鱼鳞设计的优化坡度有效调节了水流速度。这种有意减缓的水流速度延长了水在光热表面的停留时间，使其有更多机会吸收热能，从而显著提高蒸发效率。相比之下，平面结构通常表现出快速的水流和与光热材料的有限接触时间，直接阻碍了热能的利用，从而限制了蒸发速率。最后，鱼鳞结构的梯度特性在盐分管理中起着关键作用。它有效地触发了马兰戈尼效应，促进了梯度定向结晶和高效的盐分收集。这与平面结构的均匀蒸发速率形成对比，平面结构难以建立明显的盐浓度梯度，从而导致非定向的盐结晶。这种创新的层次设计通过我们的3D打印技术得以实现，是我们蒸发器卓越性能的核心。
在这项工作中，为了突破传统平面蒸发器的局限性，我们采用了创新的3D打印技术和硫醇-烯点击化学反应，精确制造出鱼鳞坝状仿生结构，将农业水利工程的生态智慧融入蒸发器设计中。我们使用PEGDA和PETMP作为基底，在紫外光下PEGDA中的双键与PETMP中的硫醇基团发生反应，通过硫醇-烯点击化学反应形成交联的多孔聚合物网络结构。整个过程仅需40分钟即可制造出五个鱼鳞坝状蒸发器。鱼鳞坝的分层结构显著增强了光的散射和反射路径（Wu等人，2025年）。梯度设计的鱼鳞坝结构不仅减缓了水流速度，延长了水在光热材料表面的停留时间，从而增强了热能吸收，还利用其梯度特性产生了马兰戈尼效应，促进了梯度定向的盐分沉积。鱼鳞坝结构实现了太阳能利用与流体调节的跨尺度耦合，显著提高了蒸发效率。因此，即使只有3 wt%的MWCNTs-COOH，CPP蒸发器也具有优异的蒸发速率（1.704 kg m?2 h?1）和光热转化效率（88.93%）。在处理不同盐度的水（2.5-10 wt% NaCl溶液）时，CPP蒸发器能够稳定且一致地运行。此外，CPP蒸发器还用于各种废水净化测试，收集到的水符合世界卫生组织（WHO）和美国环境保护署（EPA）的饮用水标准。值得注意的是，使用CPP蒸发器处理高盐度印染废水时，盐的收集速率为0.1742 kg m?2 h?1，水的收集速率为0.72 kg m?2 h?1
实验材料
MWCNTs-COOH和碳酸钠（Na2CO3）购自上海比德医药科技有限公司。PETMP和PEGDA购自华为上海技术中心。2,4,6-三甲基苯甲酰二苯基氧化磷（TPO）和氯化钠（NaCl）购自上海泰坦科技有限公司。氢氧化钠（NaOH）和盐酸（HCl）购自中国国家医药集团化学试剂有限公司。无水乙醇购自上海
鱼鳞坝状结构蒸发器的制造
受鱼鳞坝结构的启发，我们使用Cinema 4D软件详细设计了模仿鱼鳞坝结构的光热蒸发器3D模型。随后，利用DLP 3D打印技术根据设计的模型直接制备了这种具有特定结构的蒸发器。为了实现DLP打印并赋予材料高效的光热转化性能，我们精心配制了功能性打印墨水。
结论
总之，本研究利用硫醇-烯点击化学反应和3D打印技术在40分钟内成功制备了一种具有鱼鳞坝状结构的光热蒸发器CPP。该蒸发器突破了传统平面设计的局限性，实现了太阳能利用与流体调节的跨尺度耦合，将农业水利工程的生态智能概念融入蒸发器设计中。
作者贡献声明
杨立轩：撰写——原始草稿、验证、方法学、调查、概念化。傅晓宇：撰写——审阅与编辑、调查。徐志涵：调查。周飞月：调查。桂景星：调查。薛玉婷：调查。马宇轩：调查。于丹：撰写——审阅与编辑、监督。王伟：监督。
