3D printing of flash graphene/nano-cellulose aerogel for high-efficiency solar evaporation with superior salt resistance

基于3D打印的闪蒸石墨烯/纳米纤维素气凝胶用于高效太阳能蒸发与优异耐盐性

第一作者: Zhigang Wang (中国地质大学, 武汉)

通讯作者: Heng Deng (中国地质大学, 武汉)

DOI: 10.1016/j.cej.2025.165496

期刊名称: Chemical Engineering Journal

发表年份: 2025年

论文亮点

            开发了一种新型3D打印闪蒸石墨烯(FG)复合纳米纤维素气凝胶，具有高蒸发效率和优异耐盐性。
通过多材料3D打印技术制备了Janus结构气凝胶，实现了热定位和最小化热损失，提高了太阳能利用率。

研究背景

淡水短缺是全球性挑战，太阳能驱动蒸发技术是一种有前景的海水淡化方法，但面临盐积累和效率限制问题。
当前蒸发器通常由光热材料和亲水支架组成，但高蒸发速率可能导致盐结晶，降低设备效率和寿命。
3D打印技术可以优化支架设计，促进水供应和盐循环，但开发合适的墨水成分仍具挑战性。

研究方法

材料制备: 使用纤维素纳米纤维(CNF)、羧甲基纤维素(CMC)和柠檬酸(CA)制备墨水；通过闪蒸焦耳加热(FJH)技术合成闪蒸石墨烯(FG)。
墨水制备: 将CNF、CMC和CA混合，调整固体含量至15%以确保可打印性；FG以0.08 wt%浓度添加到墨水中。
3D打印: 使用双喷嘴3D打印系统，打印Janus结构气凝胶，其中底层为CNF支撑层，顶层为FG/CNF光热层。
后处理: 打印样品冷冻干燥后，进行脱氢热处理(DHT)以化学交联基质。
表征与测试: 使用TEM、SEM、UV-Vis-NIR等技术表征材料；进行太阳能蒸发测试、耐盐性能测试和水净化能力测试。

主要结论

成功开发了3D打印FG/CNF气凝胶，具有高光热效率(光吸收效率96.98%)和高蒸发速率(3.397 kg m⁻² h⁻¹)。
Janus结构优化了热定位，减少了热损失，提高了太阳能利用率；多孔结构促进了水传输和盐扩散，实现了优异耐盐性。
该蒸发器在海水、染料废水和酸碱性溶液中均表现出优异净化能力，户外测试证实了其实际应用潜力。

图1: FG制备和Janus FG/CNF制备示意图

图1a展示了闪蒸石墨烯(FG)通过闪蒸焦耳加热(FJH)技术制备的过程；图1b展示了Janus结构FG/CNF气凝胶的3D打印制备流程，包括墨水制备、打印和后处理步骤。

图2: 闪蒸石墨烯的表征

图2a显示了FG的XRD图谱，显示出独特的(002)峰和不对称(100)峰，表明其涡轮层结构；图2b和2c的TEM图像显示FG由六边形纳米片组成，晶格间距为0.347 nm；图2d比较了FG和GO在水溶液中的分散稳定性，FG表现出更优的稳定性；图2e和2f展示了FG溶液的光热性能，在1-sun光照下温度稳定升至42°C。

图3: CNF墨水和支架的性能

图3a展示了不同固体含量CNF墨水的粘度；图3b显示了CNF的可打印性示意图，15%固体含量的墨水表现出最佳打印性；图3c展示了3D打印的金字塔模型；图3d-f显示了不同CA含量的CNF支架的密度、压缩性能(湿态)和吸水率；图3g-h为CNF支架表面的SEM形貌图像；图3i和3j展示了CNF支架的接触角测试和水传输测试。

图4: FG/CNF墨水和支架的性能

图4a展示了FG墨水的粘度；图4b显示了墨水挤出情况；图4c展示了FG墨水打印的图形；图4d和4e为FG/CNF支架表面的SEM图像；图4f和4g展示了FG/CNF支架的接触角测试和水传输测试；图4h显示了FG/CNF和CNF的UV-Vis-NIR光谱；图4i和4j展示了不同气凝胶(湿态)的温度升高曲线和红外热成像。

图5: Janus FG/CNF气凝胶的性能

图5a展示了Janus FG/CNF的轻质特性；图5b显示了Janus FG/CNF气凝胶(湿态)的温度升高曲线；图5c为Janus FG/CNF气凝胶的红外热成像；图5d展示了光照下的热分布示意图；图5e为横截面温度分布的红外热成像；图5f展示了光热海水淡化装置示意图；图5g显示了不同气凝胶结构随光照时间的质量变化；图5h展示了循环蒸发性能。

图6: 耐盐性和净化能力测试

图6a展示了盐溶解过程；图6b为盐水交换示意图；图6c显示了在15%盐溶液中蒸发12小时后蒸发器的表面形貌；图6d展示了不同盐浓度溶液中的蒸发速率；图6e为水净化装置示意图；图6f显示了海水淡化前后离子浓度；图6g和6h为MB和RhB在模拟废水净化前后的UV可见吸收光谱；图6i展示了酸/碱水溶液净化前后的pH值；图6j展示了Janus FG/CNF阵列；图6k为户外实验设备照片；图6l显示了户外光强度、湿度和蒸发速率随时间的变化。