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近日，中國地質大學鄧恒教授團隊在《Chemical Engineering Journal》上發表了題為“3D printing of flash graphene/nano-cellulose aerogel for high-efficiency solar evaporation with superior salt resistance”的論文，通過將閃蒸石墨烯與納米纖維素氣凝膠結合，采用多材料3D打印技術構建Janus結構蒸發器，實現了高效太陽能蒸發與優異抗鹽性能，為可持續海水淡化提供了有效解決方案。

【研究背景】

1.全球淡水資源短缺問題突出：海水淡化需求迫切。人口增長與經濟發展加劇淡水供需矛盾，尋找高效海水淡化技術成為當務之急。

2.太陽能驅動蒸發技術是理想選擇：該技術利用可再生太陽能實現海水淡化，清潔環保且成本較低，符合可持續發展方向。

3.現有技術存在效率與鹽積累難題：傳統太陽能蒸發器蒸發效率有限，且易因鹽積累降低性能，制約實際應用。

【研究方法】

1.材料與墨水制備：以纖維素納米纖維（CNF，4.5wt%）、羧甲基纖維素（CMC）、檸檬酸（CA）為基材，閃蒸石墨烯（FG）為光熱劑。純CNF墨水：1.2g CMC加入不同濃度CA溶液（0.1、0.2、0.4g/g）溶解，再加入6.65g CNF攪拌至無可見纖維，2–8℃冷藏。FG/CNF墨水：先制1–4mg/mL FG溶液（含5mg聚醚F-188），超聲分散后按比例加入純CNF墨水，確保固體含量一致，最優FG添加量0.08wt%。

圖1.閃蒸石墨烯特性

2.3D打印與后處理：采用雙噴嘴3D打印系統（Adventure 3D-LB-Printer-0100），針頭直徑260μm，亞克力板為基底，Y偏移-0.5mm，X偏移64mm，層厚200μm，打印速度6mm/s。先打印20層純CNF，再打印10層FG/CNF（厚度比1:2）。打印后-25℃冷凍12h，凍干10h，120℃真空烘箱中24h脫氫熱處理（DHT）實現交聯。

3.性能測試方法：用TEM觀察CNF形貌，FESEM分析氣凝膠結構；旋轉流變儀表征墨水流變性能；紫外-可見-近紅外分光光度計測光吸收；接觸角儀測親水性。蒸發測試：300+氙燈模擬AM 1.5G太陽光（100mW/cm2），電子天平（0.1mg精度）測質量變化，按ΔV=m/(S·T)算蒸發速率。耐鹽性測試：15%NaCl溶液中光照12h觀察鹽結晶，測5%、10%、20%NaCl溶液中蒸發速率變化。凈化測試：ICP-OES測離子濃度，紫外分光光度計測染料殘留，pH試紙測酸堿處理后pH。

【研究結果】

1.蒸發效率優異：Janus FG/CNF氣凝膠光吸收效率達96.98%，1個太陽光下蒸發速率3.397kg m?2 h?1，光熱轉換效率229%，優于多數同類材料。

2.抗鹽能力突出：表面0.5g NaCl 110min內完全溶解，15%NaCl溶液中光照12h無鹽結晶，鹽濃度升高時蒸發速率下降輕微。

3.凈化效果顯著：處理后海水中Na?、Mg2?、K?、Ca2?濃度遠低于WHO標準，可完全去除染料，能將酸堿廢水中和至pH≈7。

【展望】

1.助力可持續海水淡化：其高效、耐鹽、低成本特性，有望突破現有技術產業化瓶頸，為缺水地區提供實用方案。

2.為3D打印功能材料提供借鑒：多材料3D打印構建Janus結構的設計，可用于制備兼具特定功能與結構穩定性的復合材料。

3.拓展水資源處理應用：除海水淡化外，在工業廢水、染料廢水處理中潛力大，結合規模化生產可實現更廣泛水資源凈化。