科學家3D打印太陽能海綿用于海水淡化，有望改變清潔水資源獲取方式

導讀：多孔材料被廣泛用作太陽能海水淡化的光熱蒸發(fā)器。然而，傳統(tǒng)蒸發(fā)器的性能會隨著尺寸的增加而顯著下降，限制了其從實驗室規(guī)模到實際應用的可擴展性。

2025年7月10日，南極熊獲悉，來自香港理工大學航空及航天工程系的一組研究團隊開發(fā)出了一種突破性的海綿狀氣凝膠，僅利用陽光就可以將海水轉化為干凈的飲用水。

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

與早期材料不同，這種3D打印結構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。在戶外測試中，該海綿僅用數(shù)小時便產(chǎn)出了飲用水，而且無需電力或復雜的基礎設施。

團隊的研究成果以題為“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現(xiàn)尺寸不敏感蒸汽擴散，實現(xiàn)可擴展的海水淡化”的論文發(fā)表在《美國化學學會能源快報》（ACS Energy Letters）上。

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

將陽光轉化為淡水

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，但通常會消耗大量能源。現(xiàn)在，研究人員開發(fā)出一種很有前景的新材料，可以改變這一現(xiàn)狀。

本研究中開發(fā)的海綿狀結構中充滿了細長、微小的氣孔，可以利用陽光將海水轉化為干凈的淡水。在一次戶外測試中，這個簡單的系統(tǒng)——僅用一塊海綿和一個透明的塑料蓋——成功地利用自然光生產(chǎn)出了飲用水。這標志著低能耗、可持續(xù)的海水淡化技術朝著更易于普及的方向邁出了一步。

從絲瓜絡到氣凝膠：太陽能海綿的進化史

科學家們一直在嘗試利用太陽能材料凈化水。早期的一個例子是使用一種受絲瓜絡啟發(fā)的水凝膠，其中填充了特殊的聚合物。當它暴露在陽光下時，會升溫并從污水中釋放出干凈的水蒸氣。這類水凝膠質地柔軟，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

這些材料具有實體孔隙，可以通過其結構輸送水或蒸汽。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，效率往往會降低。為了解決這個問題，項目負責人沈教授和同事著手設計一種新型氣凝膠，無論尺寸大小，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。這個過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，每個孔洞的寬度約為20微米。他們測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計中常見的結垢問題。

在一項戶外測試中，研究人員將這種材料放入一個裝有海水的杯子中，并用一個彎曲的透明塑料蓋蓋住。陽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。在自然陽光下照射6小時后，該系統(tǒng)產(chǎn)生了約3湯匙的飲用水。

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

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