科學(xué)家3D打印太陽(yáng)能海綿用于海水淡化，有望改變清潔水資源獲取方式

導(dǎo)讀：多孔材料被廣泛用作太陽(yáng)能海水淡化的光熱蒸發(fā)器。然而，傳統(tǒng)蒸發(fā)器的性能會(huì)隨著尺寸的增加而顯著下降，限制了其從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到實(shí)際應(yīng)用的可擴(kuò)展性。

2025年7月10日，南極熊獲悉，來(lái)自香港理工大學(xué)航空及航天工程系的一組研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種突破性的海綿狀氣凝膠，僅利用陽(yáng)光就可以將海水轉(zhuǎn)化為干凈的飲用水。

△這不是紙張，而是一種3D打印材料，可以吸收海水，將其凈化成無(wú)鹽水。圖片來(lái)源：改編自ACS EnergyLetters 2025

與早期材料不同，這種3D打印結(jié)構(gòu)充滿了微小的垂直通道，即使在較大尺度下也能高效蒸發(fā)水分。在戶外測(cè)試中，該海綿僅用數(shù)小時(shí)便產(chǎn)出了飲用水，而且無(wú)需電力或復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施。

團(tuán)隊(duì)的研究成果以題為“Size-Insensitive VaporDiffusion Enabled by Additive Freeze-Printed Aerogels for Scalable Desalination/利用添加劑冷凍打印氣凝膠實(shí)現(xiàn)尺寸不敏感蒸汽擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的海水淡化”的論文發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)能源快報(bào)》（ACS Energy Letters）上。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c01233

將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為淡水

地球上的大部分水都存在于海洋中，但海洋的鹽度太高，無(wú)法飲用。雖然海水淡化廠可以去除鹽分，使海水可以飲用，但通常會(huì)消耗大量能源?，F(xiàn)在，研究人員開(kāi)發(fā)出一種很有前景的新材料，可以改變這一現(xiàn)狀。

本研究中開(kāi)發(fā)的海綿狀結(jié)構(gòu)中充滿了細(xì)長(zhǎng)、微小的氣孔，可以利用陽(yáng)光將海水轉(zhuǎn)化為干凈的淡水。在一次戶外測(cè)試中，這個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)——僅用一塊海綿和一個(gè)透明的塑料蓋——成功地利用自然光生產(chǎn)出了飲用水。這標(biāo)志著低能耗、可持續(xù)的海水淡化技術(shù)朝著更易于普及的方向邁出了一步。

從絲瓜絡(luò)到氣凝膠：太陽(yáng)能海綿的進(jìn)化史

科學(xué)家們一直在嘗試?yán)锰?yáng)能材料凈化水。早期的一個(gè)例子是使用一種受絲瓜絡(luò)啟發(fā)的水凝膠，其中填充了特殊的聚合物。當(dāng)它暴露在陽(yáng)光下時(shí)，會(huì)升溫并從污水中釋放出干凈的水蒸氣。這類水凝膠質(zhì)地柔軟，充滿液體，但還有一類名為氣凝膠的材料，它們的硬度更高。

△一種受絲瓜絡(luò)啟發(fā)的多孔水凝膠可以在室溫下吸收污水，然后在加熱時(shí)迅速釋放純凈水。改編自 ACS Central Science 2023，DOI：10.1021/acscentsci.2c01245

這些材料具有實(shí)體孔隙，可以通過(guò)其結(jié)構(gòu)輸送水或蒸汽。氣凝膠在海水淡化方面已展現(xiàn)出良好的前景，但隨著尺寸的增大，效率往往會(huì)降低。為了解決這個(gè)問(wèn)題，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人沈教授和同事著手設(shè)計(jì)一種新型氣凝膠，無(wú)論尺寸大小，都能保持同樣的效率。

3D打印微通道海綿氣凝膠

研究人員制作了一種含有碳納米管和纖維素納米纖維的糊狀物，然后將其3D打印到冷凍的表面上，讓每一層都凝固后再添加下一層。這個(gè)過(guò)程形成了一種海綿狀的材料，上面均勻分布著微小的垂直孔洞，每個(gè)孔洞的寬度約為20微米。他們測(cè)試了這種材料的方形碎片，尺寸從0.4英寸（1厘米）到約3英寸（8厘米）不等，發(fā)現(xiàn)較大的碎片通過(guò)蒸發(fā)釋放水分的效率與較小的碎片一樣高，解決了以往氣凝膠設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的結(jié)垢問(wèn)題。

在一項(xiàng)戶外測(cè)試中，研究人員將這種材料放入一個(gè)裝有海水的杯子中，并用一個(gè)彎曲的透明塑料蓋蓋住。陽(yáng)光加熱了海綿狀材料的頂部，只蒸發(fā)了水，而不是鹽，變成了水蒸氣。水蒸氣在塑料蓋上以液體形式聚集，將現(xiàn)在干凈的水移到邊緣，然后滴入杯子下方的漏斗和容器中。在自然陽(yáng)光下照射6小時(shí)后，該系統(tǒng)產(chǎn)生了約3湯匙的飲用水。

△一個(gè)定制裝置利用自然陽(yáng)光去除海水中的鹽分，它使用一個(gè)裝有海水的燒杯、一塊黑色氣凝膠和一個(gè)彎曲的塑料蓋，將鹽滴入漏斗和燒杯中。（圖片來(lái)源：ACS Energy Letters）

最后，沈教授表示：“我們的氣凝膠可以實(shí)現(xiàn)任何規(guī)模的全容量海水淡化，這為無(wú)能源海水淡化生產(chǎn)清潔水提供了一種簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展的解決方案。”