Nature 子刊：3D打印自浮式蒸发器创下太阳能海水淡化效率新纪录

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2025年4月29日，来自香港城市大学、香港理工大学和纽卡斯尔大学的一支研究团队开发了一种大型3D打印自浮式蒸发器，显著推进了太阳能驱动的界面海水淡化技术。研究成果以题为“Large-scale 3D printedfouling-resistant self-floating evaporator”的论文发表在《自然通讯》期刊上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58952-7

蒸发器系统采用凹形AlSi10Mg合金增材制造而成，光热蒸发效率接近100%，在一个阳光照射下蒸发率可达2.23 kg/m²/h，淡水收集率可达1.23 kg/m²/h。浮动模块化设计提供了持久耐用、可扩展的性能，同时解决了结垢、盐分积累和能量输入方面的主要限制。核心蒸发器采用3D金属打印机制造，功率为370 W，打印速度为1300 mm/s。特点是聚吡咯修饰的光热顶层、氧化铝合金(AO)过渡层以及具有超疏水特性的PTFE密封底面。采用化学氧化、电沉积和部分表面密封等工艺组装该层状结构。其他组件包括可更换的二维进水层、低导热率的晶格状树脂支架以及嵌入铜翅片的浮动淡水收集器。这些元件构成一个模块化、易于维护的系统，适用于便携式和远程操作。

△用于光热界面蒸发的3D分层浮动装置。图片来自《自然通讯》

使用扫描电子显微镜（Sigma 500）、能量色散X射线光谱法（Shimadzu EDX-720）和X射线衍射法（D2 PHASER XE-T）分析材料和结构特性。使用日立UH4150紫外-可见-近红外光谱仪和VERTEX 70 v FTIR光谱仪测量太阳吸收率。使用Hot Disk TPS2500S系统进行热导率测试。使用CEL-PE300L-3 PerkinElmer 300W光源进行实验室太阳模拟。使用FLIR E8xt热成像和KEYSIGHT DAQ970A系统绘制温度曲线，并使用DataPhysics测试仪测量接触角。使用pc0.dimax HS4高速摄像机捕捉液滴行为。使用YGY-CJY4数据采集单元记录现场测试期间的室外条件。在 COMSOLMultiphysics 5.6 版本中执行热和蒸汽传输模拟。

凹面蒸发器结构展现出增强的光捕获和表面吸收性能。当表面装饰有聚吡咯纳米颗粒时，平均太阳吸收率可达98.1%。通过FLIR热成像和有限元仿真验证了传热效率，结果显示在所有测试条件下，底部表面蒸发均保持一致。为期17天的稳定性测试表明，蒸发速率持续保持在2.23 kg/m²/h，只需更换吸水层即可保持稳定。接触角测量值超过135°，证实了超疏水性。在3.5 wt% NaCl溶液中进行的电化学腐蚀测试表明，密封氧化层的腐蚀电位为-0.59V，与未经处理的铝相比有显著改善。

△三维分级解耦蒸发器的蒸发和向下淡水冷凝。图片来自《自然通讯》。

在香港乌溪沙鹅卵石滩进行的现场试验评估了一套集成固定盖板和淡水收集器的全尺寸装置。嵌入式铜翅片改善了热对流并增强了冷凝效果，使淡水收集率达到1.23千克/平方米/小时。无需外部电源。冷却是通过与周围海水进行热交换实现的。蒸发器的解耦架构确保水仅从底部吸收，保持顶部吸收层干燥，防止盐结晶。PTFE 纳米颗粒密封进一步阻止离子渗透，而化学氧化则稳定了外层铝表面。在盐水（25 wt% NaCl）中，性能在 13 天内保持稳定。ICP-OES 测试证实，脱盐后 Na⁺、Ca²⁺ 的浓度均符合世界卫生组织的饮用水标准，钠含量从 10,800 毫克/升降至 5.0 毫克/升。