【成果掠影 & 研究背景】

隨著全球水資源短缺問題日益嚴(yán)峻，基于吸附的大氣水收集技術(shù)因不受地理?xiàng)l件限制而備受關(guān)注。然而，在吸附材料設(shè)計(jì)中，快速吸附動(dòng)力學(xué)與超高吸水容量之間存在難以調(diào)和的固有矛盾：為提高動(dòng)力學(xué)而減小材料尺寸或增加大孔會(huì)犧牲儲(chǔ)水空間，而追求高容量通常會(huì)導(dǎo)致傳質(zhì)緩慢。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)等團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》上提出了一種新策略，首次利用4D打印技術(shù)，通過分子尺度動(dòng)態(tài)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)與宏觀結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一種4D打印的雙功能水凝膠（4D TZG-PPY-LiCl）。該材料集成了熱響應(yīng)聚合物（PNIPAM）和兩性離子聚合物（PDMAPS），并負(fù)載了聚吡咯和氯化鋰。其獨(dú)特的蜂窩狀宏觀結(jié)構(gòu)提供了豐富的氣-固界面，加速了蒸汽傳輸；同時(shí)，兩性離子網(wǎng)絡(luò)的“鹽溶效應(yīng)”賦予其高溶脹率以捕獲更多水。在30%和60%的相對(duì)濕度（RH）下，4D打印水凝膠分別在180分鐘和300分鐘內(nèi)達(dá)到1.62克/克和3.54克/克的平衡吸水容量，性能是塊狀對(duì)照樣品的兩倍以上；在90% RH下，其吸水容量高達(dá)6.85克/克，處于報(bào)道材料的領(lǐng)先水平。此外，材料優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能可在單太陽光照下誘導(dǎo)親水-疏水轉(zhuǎn)變和結(jié)構(gòu)收縮，實(shí)現(xiàn)95%的快速水釋放。該工作成功實(shí)現(xiàn)了快速動(dòng)力學(xué)與超高吸水容量的統(tǒng)一。

【創(chuàng)新點(diǎn) & 圖文摘要】

創(chuàng)新點(diǎn)：

• 方法創(chuàng)新：首次將4D打印技術(shù)應(yīng)用于大氣水收集領(lǐng)域，通過數(shù)字光處理（DLP）打印出自發(fā)響應(yīng)濕度/溫度的宏觀智能結(jié)構(gòu)，打破了傳統(tǒng)吸附材料的靜態(tài)限制。

• 材料設(shè)計(jì)創(chuàng)新：構(gòu)建了熱響應(yīng)（PNIPAM）與兩性離子（PDMAPS）的雙功能聚合物網(wǎng)絡(luò)。PDMAPS通過“鹽溶效應(yīng)”增強(qiáng)在LiCl環(huán)境下的溶脹能力和水捕獲量，而PNIPAM提供親疏水轉(zhuǎn)變功能以促進(jìn)低溫脫附。

• 結(jié)構(gòu)效應(yīng)創(chuàng)新：4D打印的蜂窩狀結(jié)構(gòu)大大增加了空氣-吸附劑接觸界面，縮短了水分子內(nèi)部擴(kuò)散路徑。實(shí)驗(yàn)和有限元模擬均證明，此結(jié)構(gòu)比塊狀材料具有更高的水?dāng)U散系數(shù)（2.54 × 10?? vs. 1.61 × 10?? cm2/s），從傳質(zhì)機(jī)理上解釋了動(dòng)力學(xué)提升的原因。

• 機(jī)理闡釋創(chuàng)新：通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，從原子尺度揭示了PDMAPS分子鏈在LiCl溶液中呈現(xiàn)舒展的線圈構(gòu)象（回轉(zhuǎn)半徑大），而PNIPAM鏈則收縮成球狀，直觀解釋了“鹽溶”與“鹽析”效應(yīng)對(duì)聚合物溶脹能力影響的微觀機(jī)制。

• 解吸能耗創(chuàng)新：雙功能網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用降低了材料的水解吸能耗。差示掃描量熱法（DSC）表明，4D TZG-PPY-LiCl的解吸焓比純LiCl低11.3%，其解吸峰溫度（43.5°C）與材料低臨界溶解溫度（LCST）匹配，實(shí)現(xiàn)了光熱驅(qū)動(dòng)與相變驅(qū)動(dòng)的耦合高效脫附。

• 系統(tǒng)集成與實(shí)用性驗(yàn)證：成功將材料放大制備，并構(gòu)建了雙層交替工作的戶外大氣水收集裝置原型。該裝置實(shí)現(xiàn)了日夜連續(xù)運(yùn)行，在實(shí)際戶外測(cè)試中成功收集到符合世界衛(wèi)生組織標(biāo)準(zhǔn)的淡水，展示了實(shí)用化潛力。

• 材料性能均衡且穩(wěn)定：該材料在寬濕度范圍（30%-90% RH）內(nèi)均表現(xiàn)出色，經(jīng)過300次吸附-解吸循環(huán)后仍能保持88%的初始吸水容量和良好的結(jié)構(gòu)完整性，顯示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

Figure 1: 4D打印雙功能水凝膠的設(shè)計(jì)理念與工作原理示意圖。

Figure 2: 4D TZG-PPY-LiCl的制備與基礎(chǔ)表征。

Figure 3: 水凝膠的溶脹行為研究及分子動(dòng)力學(xué)模擬分析。

Figure 4: 4D TZG-PPY-LiCl的吸水性能及機(jī)理研究。

Figure 5: 4D TZG-PPY-LiCl的光熱驅(qū)動(dòng)水釋放性能及循環(huán)穩(wěn)定性。

Figure 6: 戶外大氣水收集裝置原型測(cè)試與實(shí)際產(chǎn)水性能。

【總結(jié) & 原文鏈接】

總之，本研究通過融合4D打印宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與智能聚合物分子設(shè)計(jì)，創(chuàng)造性地制備了一種雙功能水凝膠，成功破解了大氣水收集材料快速吸附動(dòng)力學(xué)與超高吸水容量之間的長(zhǎng)期權(quán)衡難題。該材料在寬濕度范圍內(nèi)展現(xiàn)出卓越的吸水性、快速的太陽能驅(qū)動(dòng)脫附能力以及良好的循環(huán)穩(wěn)定性。集成化的雙層設(shè)備原型驗(yàn)證了其連續(xù)產(chǎn)水的可行性。這項(xiàng)工作不僅為開發(fā)下一代高效大氣水收集吸附材料提供了全新的“材料-結(jié)構(gòu)”協(xié)同設(shè)計(jì)范式，也展示了4D打印智能材料在解決全球性資源問題中的巨大應(yīng)用潛力。

原文鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.202516698

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