01

研究背景

淡水是人類文明的基本要素，大氣中蘊(yùn)藏的水量巨大，使其成為一種重要的分散式淡水來(lái)源，大氣集水（AWH）因此成為一項(xiàng)具有吸引力的取水技術(shù)。在各類吸水材料中，水凝膠型吸水劑因吸水性高、成本低且易擴(kuò)展而展現(xiàn)出應(yīng)用潛力，但傳統(tǒng)致密水凝膠（CDHs）受限于其致密結(jié)構(gòu)和小孔徑，導(dǎo)致水蒸氣捕獲與釋放動(dòng)力學(xué)緩慢，制約了產(chǎn)水效率。雖然已有研究通過(guò)制備薄膜、構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)等方式試圖提升性能，但通常水凝膠厚度僅約2毫米，在吸水總量與吸附速率之間難以兼顧。受海星呼吸器官——丘疹及其網(wǎng)狀骨骼結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，該結(jié)構(gòu)具有高孔隙率、高比表面積和低傳質(zhì)阻力等特點(diǎn)，為設(shè)計(jì)兼具高效吸附與快速傳質(zhì)的大氣集水材料提供了新思路。

通過(guò)模仿海星的三重周期最小表面（TPMS）結(jié)構(gòu)，本研究設(shè)計(jì)了一種具有纏繞網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔水凝膠（TSEHs）。該結(jié)構(gòu)構(gòu)建了從毫米級(jí)通道到分子網(wǎng)絡(luò)的多級(jí)傳質(zhì)路徑，大幅降低了水蒸氣與溶液的輸運(yùn)阻力，并擴(kuò)大了吸濕界面。因此，TSEHs在吸附與脫附動(dòng)力學(xué)上顯著優(yōu)于傳統(tǒng)致密水凝膠：在4 mm厚度下，吸附時(shí)間縮短至1/3.85；光照下30分鐘內(nèi)的釋水量提高至1.6倍；即使厚度增至12 mm，吸附時(shí)間也從2500分鐘大幅減少至250分鐘，且50 mm超厚樣品仍保持高效吸濕?；诖?，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)集水原型機(jī)，展現(xiàn)了其在實(shí)際持續(xù)產(chǎn)水中的應(yīng)用潛力。

相關(guān)工作以“Biomimetic TPMS Structure-Based Entangled Hydrogel for Efficient Solar-Driven Atmospheric Water Harvesting”為題，發(fā)表在《ADVANCED MATERIALS》期刊上。（中科院一區(qū)TOP,JCR一區(qū)，IF=26.8）

02

相關(guān)數(shù)據(jù)

圖1：用于增強(qiáng)AWHs性能的TSEH的孔工程。a)海星的光學(xué)圖像。b)丘疹樣團(tuán)的放大圖像。所選丘疹的區(qū)域在(a)中標(biāo)出。c、d)海星丘疹和骨骼的掃描電子顯微鏡圖像。e)TSEH的原理圖。比較了CDHs和TSEHs的吸附時(shí)間，f)和釋水性能(日照30min)，g)。H)CDHS和TSEHs的吸水時(shí)間與厚度的關(guān)系。

圖2：TSEHs的制備和表征。a)TSEH的光學(xué)圖像。b)TSEH的層次結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖像。利用3D打印技術(shù)制備大通道，而微間隙和亞微孔是通過(guò)融化微區(qū)冰晶形成的。c)水合的CDHS和TSEH的光學(xué)和共聚焦圖像。CDHS的水凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)即使在完全水化的情況下仍保持其無(wú)縫和玻璃狀結(jié)構(gòu)，而在TSEH的纏繞網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中觀察到大量的縫隙和孔洞。d)脫水的CDHS和TSEHs的光學(xué)和掃描電子顯微鏡圖像。CDHS表現(xiàn)出致密的、無(wú)孔的表面，而TSEH表現(xiàn)出高度相互連接的多孔結(jié)構(gòu)。e)脫水的CDHS和TSEHs的孔徑分布。

圖3：TSEHs的吸水性能。a)CDHS、b)TPMS和c)TSEHs中的水蒸氣和水轉(zhuǎn)移示意圖。d)CDHS、TPMS和TSEHs的膨脹率。e)CDHS、TPMS和TSEHs在30%RH下的吸水動(dòng)態(tài)。f)TSEHs在30%、60%和90%相對(duì)濕度下的吸水動(dòng)態(tài)。g)分別模擬了TPMS和TSEH內(nèi)部的流體速度分布。h)TPMS和TSEH的局域速度比較。i)在25℃和30%相對(duì)濕度下進(jìn)行吸附-解吸循環(huán)試驗(yàn)，在110℃和10%相對(duì)濕度下進(jìn)行解吸循環(huán)試驗(yàn)。

圖4：評(píng)價(jià)厚度對(duì)吸濕性能的影響。a)厚TSEH中快速蒸汽傳輸?shù)氖疽鈭D。b)不同厚度的CDHS和TSEH的吸汽性能。c)通過(guò)控制TPMS結(jié)構(gòu)的晶胞尺寸進(jìn)一步提高蒸汽吸附性能。d)不同厚度的CDHS和TSEH的吸水性能比較(吸水時(shí)間：100分鐘)。e)將TSEHs的吸附時(shí)間和容量與最近報(bào)道的研究結(jié)果進(jìn)行比較。f)將TSEHs的吸附時(shí)間和厚度與最近報(bào)道的研究結(jié)果進(jìn)行比較。

圖5：基于TSEHs的連續(xù)集水樣機(jī)演示。a)1日照下TSEHs的溫度變化。b)TSEHs和CDHS在1日照下的水分釋放。c)連續(xù)取水裝置示意圖。d)3D打印的吸附單元陣列由8個(gè)TSEH塊組成。e)分別帶有TSEH和CDHS的連續(xù)水收集裝置的光學(xué)圖像。f)比較基于TSEH的裝置和基于CDHS的裝置收集的水。g)收集的水的離子濃度，橙色虛線代表世衛(wèi)組織建議的離子公約。

03

研究結(jié)論

綜上所述，利用生物靈感的分層TPMS結(jié)構(gòu)來(lái)減少傳質(zhì)阻力，并增強(qiáng)空氣和吸濕性部位之間的界面。這種設(shè)計(jì)即使在較高的厚度下也能產(chǎn)生優(yōu)異的AWH性。制備的TSEHs在200min內(nèi)快速吸水1.28g g?1，并具有快速解吸性能，在≈20min內(nèi)釋放出90%以上的捕獲水。隨著厚度的增加，AWH的吸收性能受到的影響很小，而傳統(tǒng)水凝膠達(dá)到平衡所需的時(shí)間呈指數(shù)級(jí)增加。我們還展示了對(duì)破紀(jì)錄厚度為50 mm的TSEHs的快速吸附。此外，還研制了連續(xù)集水樣機(jī)，在1個(gè)日照下實(shí)現(xiàn)了4.89 kg m?2和1.15 kg?1的高集水率，突出了其實(shí)際應(yīng)用。這種孔隙工程能夠快速吸收和釋放水分，從而在體積和重量上產(chǎn)生顯著的產(chǎn)水量，為高效的AWH設(shè)計(jì)鋪平了道路。

在實(shí)際應(yīng)用中，TSEHs的單位原材料成本約為0.411美元。雖然直接3D打印大尺寸樣品仍存在挑戰(zhàn)，但通過(guò)批量打印組件并進(jìn)行組裝，可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，同時(shí)需評(píng)估其全生命周期的環(huán)境影響。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析顯示，TSEHs在高濕度與強(qiáng)光照地區(qū)性能更優(yōu)，而在低濕度條件下吸附量顯著下降；此外，空氣中的污染物可能影響長(zhǎng)期性能，需要定期維護(hù)。值得關(guān)注的是，TSEHs可與建筑立面或光伏系統(tǒng)集成，通過(guò)快速水收集與蒸發(fā)能力降低能耗或提升發(fā)電效率，從而展現(xiàn)出應(yīng)對(duì)水能源危機(jī)的應(yīng)用潛力。

04

DOI:10.1002/adma.202515166

聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者科研水平有限，如有不科學(xué)之處，請(qǐng)?jiān)谙路脚u(píng)指正?。。?/p>