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研究背景

淡水是人類文明的基本要素，大氣中蘊藏的水量巨大，使其成為一種重要的分散式淡水來源，大氣集水（AWH）因此成為一項具有吸引力的取水技術。在各類吸水材料中，水凝膠型吸水劑因吸水性高、成本低且易擴展而展現(xiàn)出應用潛力，但傳統(tǒng)致密水凝膠（CDHs）受限于其致密結構和小孔徑，導致水蒸氣捕獲與釋放動力學緩慢，制約了產(chǎn)水效率。雖然已有研究通過制備薄膜、構建多孔結構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)狀骨骼結構的啟發(fā)，該結構具有高孔隙率、高比表面積和低傳質(zhì)阻力等特點，為設計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。

通過模仿海星的三重周期最小表面（TPMS）結構，本研究設計了一種具有纏繞網(wǎng)狀結構的多孔水凝膠（TSEHs）。該結構構建了從毫米級通道到分子網(wǎng)絡的多級傳質(zhì)路徑，大幅降低了水蒸氣與溶液的輸運阻力，并擴大了吸濕界面。因此，TSEHs在吸附與脫附動力學上顯著優(yōu)于傳統(tǒng)致密水凝膠：在4 mm厚度下，吸附時間縮短至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?，進一步開發(fā)了太陽能驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)集水原型機，展現(xiàn)了其在實際持續(xù)產(chǎn)水中的應用潛力。

相關工作以“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）

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相關數(shù)據(jù)

圖1：用于增強AWHs性能的TSEH的孔工程。a)海星的光學圖像。b)丘疹樣團的放大圖像。所選丘疹的區(qū)域在(a)中標出。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的吸附時間，f)和釋水性能(日照30min)，g)。H)CDHS和TSEHs的吸水時間與厚度的關系。

圖2：TSEHs的制備和表征。a)TSEH的光學圖像。b)TSEH的層次結構的掃描電子顯微鏡圖像。利用3D打印技術制備大通道，而微間隙和亞微孔是通過融化微區(qū)冰晶形成的。c)水合的CDHS和TSEH的光學和共聚焦圖像。CDHS的水凝膠網(wǎng)狀結構即使在完全水化的情況下仍保持其無縫和玻璃狀結構，而在TSEH的纏繞網(wǎng)狀結構中觀察到大量的縫隙和孔洞。d)脫水的CDHS和TSEHs的光學和掃描電子顯微鏡圖像。CDHS表現(xiàn)出致密的、無孔的表面，而TSEH表現(xiàn)出高度相互連接的多孔結構。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下的吸水動態(tài)。f)TSEHs在30%、60%和90%相對濕度下的吸水動態(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%相對濕度下進行吸附-解吸循環(huán)試驗，在110℃和10%相對濕度下進行解吸循環(huán)試驗。

圖4：評價厚度對吸濕性能的影響。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)通過控制TPMS結構的晶胞尺寸進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(吸水時間：100分鐘)。e)將TSEHs的吸附時間和容量與最近報道的研究結果進行比較。f)將TSEHs的吸附時間和厚度與最近報道的研究結果進行比較。

圖5：基于TSEHs的連續(xù)集水樣機演示。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TSEH塊組成。e)分別帶有TSEH和CDHS的連續(xù)水收集裝置的光學圖像。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。

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研究結論

綜上所述，利用生物靈感的分層TPMS結構來減少傳質(zhì)阻力，并增強空氣和吸濕性部位之間的界面。這種設計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)水凝膠達到平衡所需的時間呈指數(shù)級增加。我們還展示了對破紀錄厚度為50 mm的TSEHs的快速吸附。此外，還研制了連續(xù)集水樣機，在1個日照下實現(xiàn)了4.89 kg m?2和1.15 kg?1的高集水率，突出了其實際應用。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設計鋪平了道路。

在實際應用中，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)，但通過批量打印組件并進行組裝，可實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，同時需評估其全生命周期的環(huán)境影響。技術經(jīng)濟分析顯示，TSEHs在高濕度與強光照地區(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期性能，需要定期維護。值得關注的是，TSEHs可與建筑立面或光伏系統(tǒng)集成，通過快速水收集與蒸發(fā)能力降低能耗或提升發(fā)電效率，從而展現(xiàn)出應對水能源危機的應用潛力。

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DOI:10.1002/adma.202515166

聲明：僅代表作者個人觀點，作者科研水平有限，如有不科學之處，請在下方批評指正?。。?/p>