淡水資源短缺已成為全球性挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)水源日益緊張，而海水淡化等技術又面臨高能耗與高成本的限制。大氣中蘊藏著豐富的水分，是一種可持續(xù)的淡水來源。早期的大氣集水技術如霧收集、露水凝結等，或依賴高濕環(huán)境，或能耗較高。近年來，基于吸附-解吸的太陽能大氣集水技術備受關注，但其性能很大程度上受限于吸濕材料內(nèi)部無序的結構，導致蒸汽擴散和熱傳遞效率低下，吸附動力學緩慢，解吸能耗高。

近日，河海大學李政通、浙江海洋大學徐興濤教授、周英棠教授和北京理工大學安盟研究員合作，提出了一種新型生物質基吸濕氣凝膠，通過定向冷凍干燥技術構建了垂直排列的微流道結構。該各向異性結構能夠引導水分定向垂直傳輸，并結合徑向擴散進入次級孔隙，有效降低了蒸汽傳輸?shù)膹澢?，同時提升了水結合能力。該氣凝膠在80%相對濕度下吸水率達3.18 g g?1，在30%相對濕度下6小時內(nèi)吸附速率達0.25 g g?1。經(jīng)光熱墨水表面改性后，在1個太陽輻照下，蒸發(fā)速率提升至2.89 kg m?2 h?1，解吸率達76.63%。戶外實測顯示，其日產(chǎn)量可達1.51 L m?2 day?1。蒙脫士的加入還顯著增強了氣凝膠的機械強度。該研究為優(yōu)化吸濕材料內(nèi)部流體與熱動力學提供了結構工程策略，為缺水地區(qū)的可持續(xù)淡水供應提供了可擴展且節(jié)能的路徑。相關論文以“Anisotropic Biomass Microfluidics via Directed Moisture Transport and Enhanced Water-Binding Capacity for High-Yield Solar-driven Atmospheric Water Harvesting”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團隊通過定向冷凍干燥法制備了具有垂直排列微流道結構的生物質基吸濕氣凝膠。圖1展示了其制備過程及吸附過程中的水汽傳輸機制示意圖。不同于傳統(tǒng)無序孔道結構，這種有序的垂直主孔道實現(xiàn)了水汽的快速傳輸，而側向微孔則利于水分儲存，層級化的孔隙結構實現(xiàn)了質量與熱量的緊密耦合，從而優(yōu)化了傳質傳熱效率。

圖1 | BHA制備示意圖及吸附過程中的蒸汽/水傳輸機制。 兩種蒸汽/水傳輸路徑，包括（i）無序孔道和（ii）有序孔道。

通過掃描電鏡和激光顯微鏡對材料結構進行表征（圖2），結果顯示所有氣凝膠均呈現(xiàn)出垂直排列的通道結構。隨著吸濕鹽LiCl含量的增加，孔隙尺寸和連通性發(fā)生規(guī)律性變化。傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射和X射線光電子能譜分析證實了LiCl的成功負載及其在吸附過程中的關鍵作用。材料表現(xiàn)出優(yōu)異的親水性，接觸角可在短時間內(nèi)降至0°。力學測試表明，添加蒙脫士顯著提升了氣凝膠的彈性模量和抗壓性能。

圖2 | （a）BHA橫截面的SEM圖像。（b）BHA縱截面的SEM圖像。（c）BHA的激光顯微鏡圖像。（d）BHA的FTIR光譜。（e）BHA的XRD光譜。（f）BHA的XPS光譜。

圖3展示了氣凝膠在不同濕度下的吸附動力學性能。隨著LiCl含量增加，吸水能力顯著提升，其中BHA-213表現(xiàn)最優(yōu)，在80%相對濕度下吸水率達3.18 g g?1，優(yōu)于許多已報道的吸濕材料。吸附動力學模型分析表明，其吸附過程同時涉及物理與化學吸附。

圖3 | （a–e）BHA在不同相對濕度條件下的吸附動力學。（f）BHA-213與已報道吸濕材料吸水能力的比較。（g）不同結構氣凝膠在不同相對濕度下的吸水分布。

為驗證結構設計的合理性，研究團隊通過有限元模擬和分子動力學模擬進行了分析（圖4）。模擬結果表明，與無序結構相比，有序垂直孔道結構能顯著降低蒸汽擴散阻力，增加水分子與材料表面的氫鍵數(shù)量和吸附能，從而加速吸附動力學。小孔徑結構因其更高的比表面積和限域效應，表現(xiàn)出更強的水結合能力。

圖4 | （a）不同彎曲度因子結構的分子動力學模型。（b）MD模擬得到的純水在有序和無序結構表面的吸附過程快照。紅、粉、藍、黃球分別代表O、H、N、C原子。（c）水吸附過程中的氫鍵數(shù)量。（d）水吸附過程中的平均氫鍵數(shù)量和吸附能。

在太陽能驅動解吸方面，如圖5所示，具有垂直孔道結構的氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的蒸發(fā)性能，BHA-213的蒸發(fā)速率達2.61 kg m?2 h?1。表面涂覆光熱墨水后，反射率大幅降低，蒸發(fā)速率進一步提升至2.89 kg m?2 h?1。材料在多次吸附-解吸循環(huán)后仍保持穩(wěn)定的結構和性能，顯示出良好的耐久性。

圖5 | （a, b）BHA、ICBHA及其他復合吸濕材料在1個太陽下的水蒸氣解吸曲線。（c）BHA和ICBHA的蒸發(fā)速率與解吸率。（d）BHA-213和ICBHA-213的光反射光譜。（e–g）BHA和ICBHA的表面溫度變化。（h）BHA-213在10次循環(huán)中的吸附-解吸循環(huán)穩(wěn)定性。（i）BHA-213在30次循環(huán)中的吸附-解吸循環(huán)穩(wěn)定性。

圖6展示了戶外大氣集水器的實測結果。在自然環(huán)境下，該裝置實現(xiàn)了1.51 L m?2 day?1的日產(chǎn)量，可滿足成人每日飲水需求?；趯嶒灁?shù)據(jù)的全球產(chǎn)水潛力估算表明，該技術在除極端干旱地區(qū)外的大部分區(qū)域都具有應用前景。技術經(jīng)濟分析顯示，該系統(tǒng)在經(jīng)濟性上優(yōu)于瓶裝水，為缺乏傳統(tǒng)供水基礎設施的地區(qū)提供了可行的分散式供水方案。

圖6 | 戶外大氣集水實驗。（a）不同條件下記錄的水吸附量、環(huán)境溫度、裝置溫度、相對濕度和太陽輻照度：（i）從夜晚到早晨，（ii）遮陰日光下，（iii）直射陽光下。（b–d）定制的大氣集水器：1，槽式聚光器；2，太陽能排氣扇；3，集水腔；4，鋁翅片散熱器；5，真空集熱管；6，冷凝水導管；7，BHA氣凝膠；8，抑制熱對流；9，強制對流冷卻。（e）基于BHA的大氣集水器預估的全球年平均日產(chǎn)水潛力。（f, g）基準情景下基于BHA的AWH系統(tǒng)的技術經(jīng)濟分析：（f）系統(tǒng)投資成本，（g）以瓶裝水為基準的投資回收期。

該研究通過結構工程設計，成功開發(fā)出具有垂直微流道的高性能生物質吸濕氣凝膠，實現(xiàn)了高效的大氣水分捕獲與太陽能驅動釋放。這項工作突出了微流道結構工程在調控蒸汽傳輸、水結合和熱耗散中的重要性，為下一代高效節(jié)能的大氣集水技術提供了可推廣的設計范式，有望在水資源短缺地區(qū)發(fā)揮重要作用。