大氣水收集（AWH）正逐漸成為一種可持續(xù)的淡水生產(chǎn)策略。然而，由于吸附動力學(xué)緩慢，尤其是在厚吸濕性水凝膠的情況下，實(shí)現(xiàn)快速大氣水收集仍然面臨挑戰(zhàn)。港城大呂堅(jiān)院士/華南理工大學(xué)綦戎輝教授合作，利用3D打印技術(shù)，制備了一種基于極小曲面（TPMS）結(jié)構(gòu)的纏結(jié)水凝膠網(wǎng)（TSEHs），其具有分級多孔結(jié)構(gòu)，有利于提高傳質(zhì)系數(shù)并形成顯著的空氣-吸濕位點(diǎn)界面。這種基于TPMS的分級結(jié)構(gòu)賦予了TSEHs快速的吸附-解吸動力學(xué)。因此，與傳統(tǒng)的致密水凝膠（CDHs）相比，TSEHs的吸附時(shí)間顯著縮短了385%。當(dāng)TSEHs的厚度從2毫米增加到12毫米時(shí)，平衡吸附時(shí)間僅略有下降，而CDHs的平衡吸附時(shí)間則呈指數(shù)級增長。同時(shí)，還開發(fā)了一種基于 TSEH 的連續(xù)太陽能驅(qū)動制水原型，在 1 個(gè)太陽光照強(qiáng)度下實(shí)現(xiàn)了 4.89 kg m-2 的高集水率，展現(xiàn)了其巨大的應(yīng)用潛力。

圖1. “孔工程”以增強(qiáng)AWH性能。 (a) 海星的光學(xué)圖像。 (b) 胞狀聚集體的放大圖像。所選胞狀區(qū)域在(a)中標(biāo)記。 (c-d) 胞狀及海星骨骼的掃描電鏡圖像。 (e) TSEHs的示意圖。 CDHs和TSEHs的吸附時(shí)間(f)和水釋放性能（在1個(gè)陽光下，30分鐘）(g)的比較。 (h) CDHs和TSEHs的水吸收時(shí)間的厚度相關(guān)性。該孔工程水凝膠顯著提高了空氣取水表現(xiàn)，具有在催化、力學(xué)等方面應(yīng)用拓展?jié)撃堋?/p>

圖2. TSEHs的制備與表征。同常規(guī)水凝膠孔結(jié)構(gòu)相比，TSEHs表現(xiàn)出明顯的多級孔結(jié)構(gòu)，顯著增加了空氣-吸濕位點(diǎn)的表面積并降低蒸汽在凝膠內(nèi)部的傳質(zhì)阻力，提高了AWH的表現(xiàn)。

圖3. AWH性能測試。TSEHs表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的空氣取水效率和傳質(zhì)能力，并在多次循環(huán)測試中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

圖4. 厚度與AWH性能關(guān)系。增加厚度使常規(guī)水凝膠吸附飽和時(shí)間指數(shù)增加，但由于孔工程設(shè)計(jì)，厚度對TSEHs水凝膠吸附飽和時(shí)間影響較小。同時(shí)該工作還制備了超厚水凝膠吸濕結(jié)構(gòu)（50 mm）同樣表現(xiàn)出了優(yōu)異的空氣取水性能。

圖5. 脫附性能與空氣取水器件設(shè)計(jì)�！翱坠こ獭巴瑯淤x予TSEHs水凝膠優(yōu)異的脫附性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于常規(guī)孔結(jié)構(gòu)水凝膠。同時(shí)設(shè)計(jì)了周期性旋轉(zhuǎn)的空氣取水器件，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)太陽光下的高效產(chǎn)水。

香港城市大學(xué)毛正義、于瀚洋、于楨為本文共同第一作者，其他作者還包括唐志賢、李堃瑋、Amr Osman、沈君達(dá)、張磊、湯思晗、段曉光。本工作獲得香港研究資助局（RGC）策略專題研究（STG）（STG2/P-705/24-R）、香港創(chuàng)新科技署（ITS/199/23）、廣東省科技合作項(xiàng)目（2023B1212120008）和國家貴金屬中心香港分中心等基金的支持。

【文獻(xiàn)鏈接】

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202515166

【通訊作者簡介】

呂堅(jiān)，香港城市大學(xué)機(jī)械工程講座教授，先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料研究中心主任。香港材料研究會（HK-MRS）理事長，香港力學(xué)學(xué)會前理事長，廣東省大灣區(qū)激光與增材制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟副理事長，世界新能源汽車大會科技委員會委員。78年跳級考入北京大學(xué)， 79年獲國家獎(jiǎng)學(xué)金赴法國貢比涅技術(shù)大學(xué)讀本科, 86年獲該校博士學(xué)位。研究涉及先進(jìn)納米材料制備與力學(xué)性能，3D/4D打印，結(jié)構(gòu)與功能材料預(yù)應(yīng)力工程。在Nature（封面文章），Science, Nature Materials, Nature Chemistry， Nature Water，Nature Communications, Science Advances, PNAS, Advanced Materials, Materials Today, PRL等雜志上發(fā)表論文650余篇，引用5萬余次，2025年“科睿唯安“全球高被引科學(xué)家, 86項(xiàng)歐，美（52），中發(fā)明專利獲授權(quán)。中科院首批海外評審專家及知名學(xué)者團(tuán)隊(duì)成員, 中科院沈陽金屬所客座首席研究員，北京科技大學(xué)，東北大學(xué)，西安交大等大學(xué)名譽(yù)教授, 上海交大，西北工業(yè)大學(xué)，西南交通大學(xué)顧問教授。2011年被法國國家技術(shù)科學(xué)院（NATF）選為院士，是該院300余位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統(tǒng)任命獲國家榮譽(yù)騎士勛章及國家榮譽(yù)軍團(tuán)騎士勛章，2013年和2018年分別在中國力學(xué)大會與中國材料大會上做大會報(bào)告。2018年獲中國工程院光華工程科技獎(jiǎng)。個(gè)人主頁：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

綦戎輝，華南理工大學(xué)化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，熱質(zhì)傳遞與低碳轉(zhuǎn)化(原傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，長期致力于電解質(zhì)膜傳熱傳質(zhì)、電化學(xué)-多物理場耦合建模、濕度發(fā)電及吸濕材料開發(fā)等相關(guān)研究，曾獲國家自然科學(xué)基金青年B類基金及廣東省杰出青年基金。主持、參與國家、省部級項(xiàng)目十余項(xiàng)。以第一/通訊作者發(fā)表SCI論文60余篇，授權(quán)發(fā)明專利12項(xiàng)。應(yīng)邀做國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議特邀報(bào)告20余次（其中大會報(bào)告2次）。任SCI期刊 Building Simulation、Energy and AI、International Journal of Green Energy編委、Fundamental research 青年編委。個(gè)人主頁：https://www2.scut.edu.cn/ce/2017/1023/c2421a224383/page.htm

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。

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