一、研究背景

太阳能驱动界面蒸发作为太阳能热技术的核心应用，可在低于或高于沸点下实现水蒸气生成，在海水淡化、废水处理、清洁水制备、热能收集和资源回收等可持续领域展现出巨大潜力。与传统底部加热和体积加热策略相比，该技术能将热量局域在液面上，在低光学浓度下蒸发效率可达~90%。

尽管光热材料和器件结构研究取得显著进展，但仍存在三大核心瓶颈：热量局域不足、界面水化学调控能力差、高盐条件下易积盐，这对能同时优化热传输、界面热力学和水管理的结构型材料提出了迫切需求。

现有定向多孔结构（冷冻铸造、模板法、仿木材支架、增材制造）虽能通过降低迂曲度、加速盐水排放提升蒸发效率，但各向异性仅源于几何取向，材料微观结构和化学环境仍为各向同性且调控薄弱，导致热传导网络不连续、界面水分子保留体相焓、盐管理依赖被动自然对流。因此，材料层面的各向异性和化学微环境工程成为提升太阳能热利用效率的关键未探索方向。

此外，三氧化二钛（Ti₃O₅）具有空位诱导的电子结构、强宽谱吸收和低成本光热转换特性；二维氮化硼（BN）纳米片具备本征各向异性声子传输和优异化学稳定性，可实现定向热传导；壳聚糖（CS）的强亲水性能调控界面水网络、降低有效蒸发焓，三者的互补功能为构建复合蒸发器提供了材料基础，而3D打印技术为实现这些组分的层级定向组装提供了可行方案。

二、研究内容

1. 设计原理：仿生双各向异性结构设计

受天然木材水平分层管胞和垂直互连导管的层级结构启发，设计了仿生气凝胶骨架，通过直写式（DIW）3D打印制备以戊二醛交联壳聚糖（GA-CS）为基质、BN为结构支架的垂直亲水通道，并将Ti₃O₅纳米颗粒嵌入BN通道壁作为光热转换单元，实现几何各向异性+材料层面各向异性的双各向异性设计：

• Ti₃O₅实现宽谱太阳能吸收，增强通道内光折射，降低反射损失；
• 定向BN诱导声子量子限制，促进定向热传输，抑制热量耗散；
• 超亲水CS基质结合低曲率孔道，加速毛细水传输，最小化传质阻力。

图1 太阳能驱动界面蒸发BTCG的仿生双各向异性设计。(a)天然木材中垂直定向的导管和管胞实现水和营养物质的定向传输；(b)仿生气凝胶的SEM形貌，显示类木材的多孔通道结构，兼具机械支撑和定向传质功能；(c)3D打印诱导定向组装的示意图；(d)a-BTCG蒸发器在太阳能驱动界面蒸发下的工作原理；(e)光子和声子传输路径，定向结构增强多重反射、光捕获和面内热传导；(f)无序与定向通道中的水传输行为，各向异性通道降低迂曲度，实现快速连续的毛细流动。

2. 材料制备与表征：a-BTCG的制备及结构验证

研究制备了由Ti₃O₅纳米颗粒、BN纳米片、CS基质和GA交联剂组成的3D打印墨水，通过调控组分比例实现剪切稀化、粘弹性和触变性的平衡，利用直写式3D打印（DIW）的剪切场诱导BN纳米片定向排列，制备出定向各向异性通道结构的a-BTCG（aligned-BN-Ti₃O₅-CS-GA），并与无定向的u-BTCG对比，通过多种表征手段验证其结构和化学特性：

• 微观形貌：SEM显示u-BTCG为随机多孔网络，a-BTCG形成垂直定向的片层结构，层间存在气隙，EDSmapping证实B、N、Ti元素均匀分布，无相分离；
• 晶体结构：XRD表明3D打印的剪切力使BN的I₀₀₂/I₁₀₀从u-BTCG的3.58提升至6.18，SAXS的2D散射图谱显示明显弧形，证实BN的高水平定向；
• 化学结构：FTIR在1650 cm⁻¹处出现C=N伸缩峰，证实GA与CS的-NH₂发生缩合反应，N-H/O-H伸缩峰红移表明氢键网络增强；XPS验证了亚胺键的形成；
• 亲水性：接触角测试显示a-BTCG接触角低至22.1°，呈现超亲水性，源于CS的-OH、-NH₂基团及3D打印的垂直微通道。

图2 a-BTCG的构建与表征。(a)3D打印过程示意图，挤出过程的剪切取向诱导BN纳米片定向，构建材料层面的各向异性结构；(b)u-BTCG的SEM和EDSmapping，显示随机多孔网络；(c)定向a-BTCG的SEM图像，呈现逐层打印形成的垂直定向通道，具有堆叠片层和互连气隙；(d)a-BTCG、u-BTCG和Ti₃O₅的XRD图谱；(e-f)u-BTCG和a-BTCG的2D SAXS图谱及相应的方位角强度曲线，证实3D打印增强了BN的定向性；(g)BTC和a-BTCG的FTIR光谱；(h)a-BTCG复合网络的示意图，显示BN纳米片、Ti₃O₅纳米颗粒、CS链和GA交联剂的分布；(i)引入CS前后的水接触角测量，证实表面转变为利于太阳能驱动界面蒸发的超亲水表面。

3. 光热转换与热响应性能

定向BN结构使a-BTCG的垂直通道产生多次内反射，延长光子停留时间，提升光捕获效率。UV-Vis-NIR光谱显示a-BTCG在200-2500 nm的宽谱太阳吸收率达89%，虽略低于纯Ti₃O₅（97%），但BN的散射作用显著提升了入射光子的有效利用率。

热响应测试表明，1个太阳光照下，a-BTCG表面温度5分钟内从23.1℃升至36.2℃，远快于无序的u-BTCG；基于a-BTCG制备的热响应器件响应时间低至0.42 s，是u-BTCG（1.87 s）的1/4以上，且在200℃温度范围内响应时间从16.23 s快速降至3.37 s，多次冷热循环后仍保持稳定的热响应性能，优于现有多数热响应材料。

图3 光热转换与热响应性能。(a)u-BTCG（左）和a-BTCG（右）中的光子传输路径示意图，突出光反射、折射和吸收的差异；(b)Ti₃O₅纳米颗粒、a-BTCG、u-BTCG和BN纳米片的UV-Vis-NIR吸收光谱（200-2500 nm），证实定向体系的宽谱吸收增强；(c)a-BTCG蒸发器漂浮在海水中在1个太阳光照下的红外热成像图，对比面外和面内热行为；(d)a-BTCG和u-BTCG在连续光照下的表面温度演变，显示定向结构的升温更快、稳态温度更高。

图4 a-BTCG的热响应能力。(a)热响应器件的制备、涂覆和组装过程数码照片，以及a-BTCG涂层中热诱导电子传输的机理示意图；(b)不同Ti₃O₅:BN比例的Ti₃O₅/BN复合材料的热触发响应行为；(c)各向异性结构使a-BTCG具有增强的快速热响应行为；(d)a-BTCG和u-BTCG在不同加热条件下的温度演变和热触发响应时间，证实快速激活和稳定的报警持续时间；(e)a-BTCG与已报道热响应材料的对比，突出其更快的触发速度和更长的报警持续时间。

4. 太阳能驱动界面蒸发性能测试

系统测试了a-BTCG在不同条件下的蒸发性能，核心结果如下：

• 基础蒸发性能：1个太阳光照下，a-BTCG的蒸发速率达5.43 kg m⁻² h⁻¹，远高于u-BTCG和无BN的TCG，有效蒸发焓仅1003 J g⁻¹，较体相水（2260 J g⁻¹）降低55%以上，光热转换效率达87.2%；
• 盐浓度适应性：在0-20 wt.% NaCl盐溶液中均保持稳定蒸发，高盐条件下无明显积盐；
• 光强适应性：1-5个太阳光照下，蒸发性能随光强提升保持稳定，结构鲁棒性优异；
• 长期稳定性：在20 wt.% NaCl高盐溶液中连续运行200 h，蒸发速率保持3.3 kg m⁻² h⁻¹，为初始值的94%，SEM和XRD证实结构无坍塌、晶相无变化，仅存在少量无堵塞性的NaCl结晶；
• 户外性能：南京户外实测中，中午时段（环境温度~40℃）蒸发速率达5.87 kg m⁻² h⁻¹，15-60分钟内即可观察到大量冷凝水生成，展现出优异的实际应用潜力。

图5 a-BTCG的太阳能驱动界面蒸发性能评估。(a)BTC、u-BTCG和a-BTCG在1个太阳光照下的蒸发速率，显示BN掺入和定向排列带来的性能提升；(b)a-BTCG在不同浓度NaCl盐溶液（0-20 wt.%）中1个太阳光照下的蒸发性能；(c)a-BTCG在不同太阳强度（1-5个太阳）下的蒸发速率，证实高通量下的稳定供水和结构鲁棒性；(d)a-BTCG在纯水中连续1个太阳光照下的长期稳定性测试；(e)a-BTCG在20 wt.% NaCl中的长期稳定性测试，证实优异的操作耐久性和抗盐性；(f)a-BTCG全天户外蒸发性能，显示蒸发速率与环境温度/辐照度波动的相关性；(g)自然阳光下内穹顶表面15-60分钟内快速生成冷凝水滴，直观证明强光热蒸发能力；(h)a-BTCG与文献报道的先进太阳能蒸发器的光热转换效率和蒸发速率对比。

5. 机理研究：各向异性结构增强热管理和水传输

研究揭示了a-BTCG的优异性能源于各向异性结构对热传输和水传输的协同调控：

• 热管理：a-BTCG的面内热导率达2.73 W m⁻¹ K⁻¹，是面外方向（0.47 W m⁻¹ K⁻¹）的5.8倍，远高于u-BTCG的各向同性热导率（1.31 W m⁻¹ K⁻¹）；定向BN形成连续的声子传输路径，Ti₃O₅作为“热桥”降低界面热阻，同时有限元模拟证实定向结构实现了高效的热量局域，减少面外热量损失；
• 水传输：a-BTCG的水通量达1.13×10⁻² μm³ s⁻¹，是u-BTCG（2.97×10⁻⁴ μm³ s⁻¹）的35倍以上；低场核磁共振（LF-NMR）证实材料内存在结合水、中间水和自由水三种状态，原位FTIR显示蒸发过程中羟基吸收带逐渐衰减，超亲水CS基质和定向孔道实现了快速的定向毛细水补给，降低了传质阻力。

图6 各向异性结构实现的定向传输机理。(a)BN纳米片定向导致a-BTCG中各向异性热流的示意图；(b)u-BTCG和a-BTCG在面内和面外方向的实测热导率，证实显著的方向差异；(c)COMSOL模拟的面内和面外热传播的瞬态热传输图谱（定性可视化）；(d-e)相应的模拟温度-时间曲线和温度-功率密度关系，突出面内热平衡更快；(f)u-BTCG（左）和a-BTCG（右）中受限水层的模拟分布，显示定向结构的连续性增强、迂曲度降低；(g)湿态a-BTCG的低场NMR光谱，揭示结合水、中间水和自由水的分布；(h)a-BTCG在水分减少过程中的原位FTIR曲线。

三、研究结论

本研究提出了一种**仿生双各向异性设计策略**，将几何通道定向与材料层面的取向有序性相结合，用于太阳能驱动界面蒸发器件的制备。通过调控3D打印墨水的流变性，利用剪切作用诱导BN纳米片定向排列，同时将光热Ti₃O₅纳米颗粒和亲水壳聚糖网络均匀嵌入层级多孔支架，制备出a-BTCG蒸发器。

该器件的定向结构构建了耦合的光子-声子-水传输路径，实现了三大协同效应：宽谱光捕获（多次反射通道）、快速局域热调控（连续面内声子路径）、低焓界面水蒸发（结构化水合层），突破了传统蒸发器在光吸收、热耗散和水补给之间的权衡关系。

a-BTCG展现出优异的综合性能：1个太阳光照下蒸发速率达5.43 kg m⁻² h⁻¹，面内热导率2.73 W m⁻¹ K⁻¹，热响应时间低至0.42 s，且在20 wt.%高盐溶液中连续运行200 h仍保持稳定。

该研究证实了**材料层面各向异性**对提升太阳能热系统性能的关键作用，展现了3D打印技术在构建定制化多功能各向异性结构中的独特优势，为设计下一代光热、热管理和水处理材料提供了通用的设计框架，在海水淡化、环境修复和智能传感等领域具有重要的应用前景。

四、论文基础信息