利用太陽能進行海水淡化具有重大的應用前景。然而，利用太陽能實現海水淡化的效率、長期工作的耐久性等均有待提高，尤其是高鹽度的鹽水淡化仍然是一個(ge) 巨大挑戰。

近日，中國科學院化學研究所的宋延林研究院團隊和美國麻省理工學院方絢萊教授等合作，利用3D打印技術構造了三維錐形不對稱結構蒸發體(ti) 係，在高鹽度下實現了高效太陽能利用和高速水蒸發。研究表明：所設計的3D錐形結構表麵可以束縛梯度厚度的水膜，同時，由於(yu) 3D結構的不同高度存在蒸發梯度，主要蒸發位點在3D結構的頂部，因此水膜沿3D結構的側(ce) 壁呈現溫度梯度，並由於(yu) 馬蘭(lan) 戈尼效應使水流向頂部，從(cong) 而顯著提高水蒸發速率和能量利用效率。高鹽度水蒸發時，水膜厚度梯度和蒸發場梯度導致鹽在3D結構頂部結晶，因而很容易去除。該係統的海水淡化速率達1.72 kg m-2 h-1，有很強的應用前景。

圖1 3D結構蒸發器的製備及其增強水蒸發速率的應用。a, 連續DLP 3D打印係統製備3D結構的示意圖。b, 3D蒸發器的Micro-CT和SEM表征。c–f, 3D蒸發器表麵超快水鋪展過程。g-j, 3D蒸發器的表麵束縛的水膜結構。k, 一個(ge) 模擬太陽光照射下3D蒸發器表麵水的揮發速率，同時以純水和2D平麵作為(wei) 對照。l, 3D蒸發器表麵暗場下水的揮發速率，同時以純水和2D平麵作為(wei) 對照。

要點：3D結構的製備是通過課題組搭建的DLP連續3D打印係統（Research, 2018, 2018, 4795604），基於(yu) 連續3D打印過程中對切片厚度和光固化複合材料的調節，製備了表麵粗糙度可控的陣列微坑結構，可以實現液體(ti) 的超快速鋪展，在200 ms內(nei) 即可在3D結構表麵形成完整的液膜，且液膜的厚度隨著3D結構的表麵粗糙度梯度呈現厚度梯度，頂部最薄為(wei) ~ 15 μm，底部最厚~ 1500 μm。

圖2 3D結構的作用機理。a, 暗場下3D蒸發器表麵的紅外圖像。b-c, 水向上擴散過程中的紅外圖像。d, 水在3D結構表麵蒸發達到動態平衡的紅外圖像。e, 在一個(ge) 模擬太陽光照射下，3D錐形蒸發器（紅線）、3D柱狀結構（橙色線）、2D平麵（藍線）和純水（黑線）表麵的溫度曲線。f, 一個(ge) 模擬太陽光照射下，水/蒸汽界麵處的蒸汽擴散通量的數值模擬。g, 在暗場下，3D錐形蒸發器（紅線）、3D柱狀結構（橙色線）、2D平麵（藍線）和純水（黑線）表麵的溫度曲線。h, 暗場下水/蒸汽界麵處的蒸汽擴散通量的數值模擬結果。i, 3D結構的高徑比對水的蒸發速率和太陽能利用效率的影響。j, 3D結構的高徑比對熱毛細流的影響。

要點：通過紅外圖像發現，沒有水膜存在時，3D結構的頂部溫度高於(yu) 底部的溫度。同時，水在3D結構表麵的蒸發達到平衡後，水膜沿著3D結構的側(ce) 壁呈現溫度梯度。水膜表麵的溫度主要由兩(liang) 個(ge) 因素決(jue) 定：一是3D結構通過熱傳(chuan) 導使液膜的溫度升高，二是水的揮發使液膜的溫度降低，兩(liang) 者競爭(zheng) 的結果即是水膜表麵的實際溫度，因此3D結構的頂部蒸發占主導，而底部使熱傳(chuan) 導占主導。由於(yu) 溫度梯度的存在，水膜存在方向沿著3D結構的底部流向頂部的熱毛細流（馬蘭(lan) 戈尼效應），使水源源不斷地補充至3D結構頂部，實現高速率的水蒸發和高效的太陽能利用效率。實驗結果還表明，3D結構的高徑比也會(hui) 影響水的蒸發速率和太陽能的利用效率，開放體(ti) 係可實現2.63kgm-2 h-1的水蒸發速率和>96%的太陽能利用效率。

圖3 3D結構表麵鹽的頂部定位結晶特性。a–d, 3D結構表麵的定位結晶過程。e, 定位結晶的鹽可通過傾(qing) 斜蒸發器去除。f, 去除的NaCl晶體(ti) 的Micro-CT底部圖像。g, 去除的NaCl晶體(ti) 的側(ce) 麵橫截麵Micro-CT圖像。h, 3D蒸發器頂部位置的Micro-CT圖像。i, 沿3D結構側(ce) 壁的連續水膜與(yu) NaCl晶體(ti) 內(nei) 部連通的示意圖。j, 頂部發生鹽定位結晶後3D結構側(ce) 壁的溫度曲線，插圖是相應的紅外圖像。k, 不同初始濃度的鹽水在使用3D結構淡化後的Na+濃度。橙色和綠色列分別代表純化之前和之後的 Na+濃度。虛線是WHO對飲用水中Na+的濃度標準。l–n, 3D結構淨化不同鹽溶液前後的光學照片。o, 純化前後的相應金屬離子濃度，對應l-n中的樣品。

圖4 3D結構淡化海水的耐用性。a, 陣列化3D結構批量淨化海水的裝置示意圖，該方案模擬了實際的太陽能淡化水設備，鹽水樣品引入容器，水在光照下在3D蒸發器表麵上蒸發，然後在冷凝器表麵和側(ce) 壁上冷凝，最後被收集。b, 陣列化3D結構組成的大麵積蒸發器照片。c-d, 陣列化3D結構淨化海水的過程。f, 淡化前後海水樣品中的四種離子的濃度。g, 3D結構淡化海水的耐用性測試。h-i, 陣列化3D結構頂部結晶的鹽顆粒（h）和去除鹽後（i）的光學圖像。j, 從(cong) 陣列化3D結構表麵去除並收集鹽的照片。

要點：使用高濃度鹽溶液作為(wei) 水源時，鹽會(hui) 在界麵隨著水的蒸發析出，由於(yu) 3D結構表麵水膜的蒸發場是梯度的，導致鹽的濃度沿著3D結構的側(ce) 壁從(cong) 上至下存在濃度梯度，即3D結構頂部的鹽濃度高，底部的鹽濃度低，因此鹽會(hui) 在3D結構的頂部定位析出。由於(yu) 所設計的3D結構的超快鋪展水膜的特性，液體(ti) 在3D結構表麵是連續的，使得鹽與(yu) 3D結構中間有液體(ti) 薄層，結晶的鹽易於(yu) 從(cong) 3D結構上去除。陣列化3D結構可實現批量海水淡化，且具有長時間工作的穩定性，其海水淡化收集速率可達1.72kgm-2 h-1，具有實際應用前景。

該工作以 “Highly efficient three-dimensional solar evaporator for high salinity desalination by localized crystallization ” 為(wei) 題發表在《自然通訊》上。該項工作得到了科技部、國家自然科學基金委、北京分子科學國家研究中心的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14366-1