全球淡水危机日益严峻，约20亿人面临水资源短缺问题，推动海水淡化技术成为可持续发展的重要方向。太阳能驱动蒸发技术凭借其清洁、低成本的特性成为研究热点，该技术通过光热材料将海水转化为可饮用水蒸气并拦截盐分。然而，传统蒸发器面临两大核心瓶颈：一方面，光热材料（如石墨烯、金属氧化物）在添加时常破坏多孔支架结构，或因疏水性导致分散不均；另一方面，高蒸发速率引发的表面盐结晶会堵塞输水通道，显著降低设备寿命。尽管3D打印技术能构建优化输水通道，但如何平衡墨水打印性、结构稳定性与抗盐性能仍是行业痛点。
论文概要
2025年6月30日，中国地质大学（武汉）邓恒教授等提出了一种基于闪蒸石墨烯（FG） 和纳米纤维素（CNF） 的3D打印复合气凝胶。通过环保的闪蒸焦耳加热技术制备小尺寸涡轮层状FG，其独特结构使仅需0.08wt%添加量即可显著提升光热性能，且不影响纤维素墨水的稳定性和多孔结构。采用多材料3D打印构建Janus双层结构：顶层为FG光热层实现高效太阳能捕获，底层为分级多孔CNF支架提供快速输水通道。该设计通过物理隔离光热层与水源减少热损失（热成像显示表面温度达45℃），同时互连孔道促进盐离子循环，在15%高盐度下连续运行12小时无盐结晶。最终器件蒸发速率达3.397kg·m⁻²·h⁻¹（光热效率229%），为开发长寿命太阳能淡化装置提供新思路。相关成果以“3D printing of flash graphene/nano-cellulose aerogel for high-efficiency solar evaporation with superior salt resistance”为题，发表在Chemical Engineering Journal期刊上。
图文解读
1. 材料合成与结构表征
图1系统展示了Janus太阳能蒸发器的制备流程：（a）闪蒸石墨烯（FG）通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术合成，碳黑前驱体在3000 K超高温（~1 ms）下经历极端热冲击形成涡轮层状石墨烯纳米片；（b）多材料3D打印工艺将FG/CNF复合墨水与纯CNF墨水协同构筑Janus双层结构，其中顶层为FG光热层（厚度占比1/3），底层为分级多孔CNF输水支架（厚度占比2/3）。该设计通过物理隔离光热界面与水体，实现热局域化与输水功能的解耦，为高效太阳能脱盐奠定结构基础。
图2通过多尺度表征揭示了FG的物化特性：（a）XRD谱图中（002）晶面衍射峰（2θ≈26°）与不对称（100）峰证实其涡轮层状结构，区别于传统石墨的AB堆叠；（b-c）高分辨TEM显示FG为10 nm级六方纳米片，0.347 nm晶格间距对应石墨(002)晶面，其边缘悬键缺陷（图c箭头）增强光捕获能力；（d）在Pluronic F-188作用下，FG分散液（0.2 wt%）24小时内无沉降（左瓶），显著优于氧化石墨烯（GO）的快速聚集（右瓶），归因于其纳米尺寸效应与表面惰性；（e-f）0.2 wt% FG分散液在1太阳光照下升温至42℃，红外热像图显示均匀热分布，证实其高效光热转换机制源于完整的sp²碳网络与等离子体共振效应。
2. 纤维素墨水优化与支架构建
纳米纤维素（CNF）墨水的流变行为与固含量密切相关。当固含量提升至15 wt%时，墨水呈现类固体行为（图3a），实现精准的网格结构打印（图3b），并可构建复杂三维模型（图3c）。柠檬酸（CA）交联通过酯键反应增强支架稳定性，但CA含量需平衡力学性能与吸水性：8.5 wt% CA时，湿态压缩强度显著提升（图3e），同时维持80%吸水率（图3f）。冷冻干燥形成的分级多孔结构中，3D打印宏观通道（1.4 mm）与微米级孔道（20 μm）协同作用（图3g-h），结合超亲水表面（接触角≈0°，图3i）实现秒级水传输（图3j）。这种设计解决了传统蒸发器中输水速率与机械强度的矛盾。
3. FG/CNF复合材料性能
添加0.08 wt% FG的复合墨水保持优异可打印性（图4a-c），挤出流畅且可构建精细图案。SEM显示FG作为纳米间隔剂，改善纤维素纤维排布均一性，形成更开放的孔道结构（图4d-e）。复合支架亲水性（图4f）与输水能力（图4g）与纯CNF相当，表明FG未破坏基质本征性质。UV-Vis-NIR光谱（图4h）证实FG使光吸收率提升至96.98%，归因于FG的宽带光捕获及多重散射效应。在1太阳光照下，复合物表面温度达40℃（纯CNF仅35℃），温差可视化证实FG的光热主导作用（图4i-j）。
4. Janus结构热管理机制
多材料3D打印构建的Janus气凝胶密度仅22.5 mg/cm³（图5a），界面结合牢固（图S12）。热成像显示Janus结构实现精准热局域化：光热层温度达45℃，较非Janus结构（39.8℃）提升13%（图5b-c）。截面温度分布（图5d-e）证实热量被约束在FG层，减少向水体的热扩散损失。蒸发实验（图5f-g）表明Janus设计将蒸发速率提升至3.397 kg·m⁻²·h⁻¹（光热效率229%），突破源自多孔基质降低水的蒸发焓。循环测试（图5h）及12小时连续运行后结构完整性（图S13），验证其在长期脱盐中的可靠性。
5. 抗盐性与实际应用
分级孔道通过毛细力驱动盐-水交换循环（图6b），使表面0.5 g NaCl在110分钟内完全溶解（图6a）。在15%高盐水中运行12小时无盐结晶（图6c），蒸发速率仅随盐度升高轻微下降（图6d），归因于孔道内对流-扩散协同作用。实际净化测试显示：海水淡化后离子浓度低于WHO标准（Na⁺ 2.82 vs 200 mg/L，图6f）；染料废水（MB/RhB）的紫外特征峰完全消失（图6g-h）；酸/碱液净化后pH≈7（图6i）。户外阵列（图6j-k）在自然光照下蒸发速率与光强正相关（图6l），证实其工程应用潜力。
总结展望
总之，本研究通过多材料3D打印技术成功开发了闪蒸石墨烯（FG）/纳米纤维素（CNF）复合气凝胶太阳能蒸发器，创新性地将闪蒸焦耳加热技术合成的涡轮层状FG纳米片（0.08 wt%）引入纤维素墨水，在保持墨水可打印性与支架多级孔结构的前提下，实现96.98%的光吸收率与高效光热转换；基于Janus结构设计构建的光热层-输水层功能分离体系，通过物理隔离将热损失降低30%，结合3D打印的1.4 mm宏观通道与冷冻干燥形成的20 μm微孔协同促进毛细输水与盐离子扩散，使蒸发速率达3.397 kg·m⁻²·h⁻¹（光热效率229%），并在15%高盐环境中连续运行12小时无盐结晶，突破传统蒸发器的效率-抗盐性权衡瓶颈。该蒸发器对海水（离子浓度低于WHO标准）、染料废水（MB/RhB去除率＞99%）及强酸/碱液（产出水pH=7）均实现高效净化，户外阵列测试验证其规模化应用潜力，为开发模块化、零排放的智能水处理系统提供新范式。未来研究将聚焦FG与温敏聚合物的复合设计实现蒸发速率动态调控，并探索冷凝热能回收与抗生物污染涂层集成，推动太阳能脱盐技术向能源自洽型系统升级。
文献信息
Zhigang Wang, Chunjie Yan, Kaiyue Ji, Jun Cao, Yang Chen, Yuting Gao, Heng Deng. 3D printing of flash graphene/nano-cellulose aerogel for high-efficiency solar evaporation with superior salt resistance. Chemical Engineering Journal, Volume 519, 2025, 165496, ISSN 1385-8947.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165496.
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