研究背景

大氣中的水蒸氣是一個(gè)儲(chǔ)量巨大但尚未充分利用的淡水資源，其總量遠(yuǎn)超地表淡水，為緩解水資源短缺提供了分布廣泛且可再生的途徑。然而，濕度失控也會(huì)引發(fā)材料腐蝕、物品變質(zhì)和熱舒適度下降等問題，因此開發(fā)高效的空氣水分離技術(shù)對(duì)于清潔水生產(chǎn)和環(huán)境調(diào)控具有重要意義。傳統(tǒng)的霧收集和露水凝結(jié)技術(shù)依賴高濕環(huán)境和外部能量輸入，在干旱或內(nèi)陸地區(qū)適用性有限；而基于吸附的空氣水分離技術(shù)則能在較寬的相對(duì)濕度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)水蒸氣的捕獲與釋放，具有更高的環(huán)境適應(yīng)性和能效優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)的核心在于開發(fā)高性能的吸濕材料。當(dāng)前主流材料中，無(wú)機(jī)干燥劑（如硅膠、沸石）吸水能力有限且再生能耗高，無(wú)機(jī)吸濕鹽（如氯化鋰、氯化鈣）雖吸濕性強(qiáng)但易潮解、泄漏和腐蝕基底，有機(jī)吸附劑則面臨幾何穩(wěn)定性差的問題，而無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化材料（如金屬有機(jī)框架）雖動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)異，但粉末形態(tài)限制了加工與規(guī)模化應(yīng)用。為克服這些局限，研究者將吸濕鹽嵌入聚合物基質(zhì)中構(gòu)建復(fù)合吸附劑，利用聚合物的可加工性和可控孔隙結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)吸濕性能的優(yōu)化。這類復(fù)合材料通過分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)增大反應(yīng)表面積、促進(jìn)蒸汽擴(kuò)散，并借助孔道限域和聚合物膨脹協(xié)同吸附鹽溶液。然而，傳統(tǒng)制備方法難以精確調(diào)控多尺度孔隙形態(tài)，制約了其性能的充分發(fā)揮。增材制造（3D打?。┘夹g(shù)的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和定制化孔隙提供了新路徑，尤其是在多材料打印方面，能夠構(gòu)建具有成分梯度和功能分區(qū)（如核殼結(jié)構(gòu)）的吸濕材料，有望解決鹽遷移與泄漏問題，提升吸附容量與循環(huán)穩(wěn)定性。盡管如此，吸濕鹽-聚合物復(fù)合墨水的可打印性、材料兼容性以及高效鹽封裝策略的實(shí)現(xiàn)仍是當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)，多材料3D打印在吸濕材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用仍處于早期探索階段。

本研究通過同軸多材料3D打印技術(shù)成功開發(fā)了一種具有核-殼結(jié)構(gòu)的3D吸濕性基材，展示了其在高性能吸濕材料應(yīng)用中的顯著優(yōu)勢(shì)。研究針對(duì)核-殼纖維設(shè)計(jì)了專用的可打印墨水，系統(tǒng)優(yōu)化了其成分、黏度和流變性，實(shí)現(xiàn)了兩種墨水的精確空間集成，從而在整個(gè)三維基材中構(gòu)建出結(jié)構(gòu)和功能的異質(zhì)性。通過對(duì)聚合物化學(xué)、核-殼幾何形態(tài)、分級(jí)孔隙率、水分?jǐn)U散路徑及鹽保留機(jī)制等關(guān)鍵參數(shù)的系統(tǒng)調(diào)控，該材料在打印性能、機(jī)械強(qiáng)度、協(xié)同吸附/解吸能力和循環(huán)穩(wěn)定性方面均得到了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該核-殼基材在90%相對(duì)濕度下24小時(shí)內(nèi)的吸水量達(dá)到2.15 g/g，在90℃下30分鐘內(nèi)可釋放92%的吸附水分，并在50次吸水-脫水循環(huán)中保持吸附容量和速率幾乎無(wú)衰減。該核-殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融合了多種性能提升策略，性能優(yōu)于傳統(tǒng)多孔吸濕材料和單一材料打印的對(duì)照樣品。此外，同軸3D打印技術(shù)還實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜幾何形狀的靈活成型和原位圖案化，展示了其在太陽(yáng)能板定制化吸附驅(qū)動(dòng)除濕和蒸發(fā)冷卻等應(yīng)用中的潛力。本研究首次實(shí)現(xiàn)了利用同軸多材料3D打印靈活制造結(jié)構(gòu)異質(zhì)吸濕材料，為開發(fā)兼具可定制幾何形狀與應(yīng)用功能的先進(jìn)吸濕材料提供了新路徑。

相關(guān)研究以“Hygroscopic Core?Shell Matrices via Coaxial Multi-Material Printing for Tailored Atmospheric Water Sorption”為題，發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Advanced Functional Materials》。（中科院一區(qū)TOP,JCR一區(qū),IF=19）

相關(guān)數(shù)據(jù)

圖1.通過同軸 3D 打印所制備的核殼結(jié)構(gòu)材料、交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及吸濕性材料的不同功能的示意圖。

圖2.（a）核心和外殼基質(zhì)內(nèi)的結(jié)構(gòu)組件及交聯(lián)反應(yīng)。 （b）具有可調(diào)節(jié)外徑和內(nèi)徑的雙層同軸噴嘴。 基體油墨的流變特性：（c）在剪切速率掃描下的剪切粘度，（d）在振幅掃描下的 G′ 和 G″ 變化，以及（e）在交替低（0.1%）和高（100%）應(yīng)變下的 G′ 和 G″ 變化。 （f）同軸 3D 打印裝置和核心-外殼基質(zhì)的數(shù)字照片。 （g）兩個(gè)墨流體擠出器內(nèi)擠出壓力的打印性能優(yōu)化（圖中插圖顯示了打印的核-殼線材）。 （h）打印精度的表征

圖3.通過（a）同軸噴嘴和（b）單噴嘴打印所制備的纖維的形態(tài)特征。（c）孔徑分布以及（d）芯、殼和芯殼結(jié)構(gòu)的累積孔體積。（e）水接觸角測(cè)量。（f）飽和含水量（Qs）以及（g）芯、殼和芯殼結(jié)構(gòu)的液態(tài)水吸收量。（h）水?dāng)U散特性。（核心和殼的標(biāo)簽表示通過單噴嘴打印制備的結(jié)構(gòu)，而芯殼的標(biāo)簽則表示通過同軸噴嘴打印制備的結(jié)構(gòu)）

圖4.（a）不同纖維內(nèi)水蒸氣吸附的示意圖。不同氯化鋰濃度的三維矩陣的水蒸氣吸附特性：（b）核心矩陣，（c）核心-殼層矩陣，以及（d）兩種矩陣的水吸收量總結(jié)。濃度為 10% 氯化鋰的三維矩陣的水蒸氣吸附特性：（e）水吸收曲線和（f）表觀吸附時(shí)間尺度 τ。（g）不同矩陣的水解吸特性。（h）解吸焓特性。（i）由不同同軸噴嘴打印的三維矩陣的水蒸氣吸附特性。

圖5.（a）不同導(dǎo)線內(nèi)氯化鋰溶液泄漏及預(yù)防的示意圖。（b）和（c）分別為核心基質(zhì)和核心-殼層基質(zhì)在一次吸濕-脫濕循環(huán)后的氯化鋰濃度變化。（d）和（e）為在 20 次吸濕-脫濕循環(huán)中的核心基質(zhì)和核心-殼層基質(zhì)的吸水率和鹽泄漏情況。（f）氯化鋰溶液泄漏及基底腐蝕的示意圖。（g）氯化鋰水合物吸濕和脫濕的相圖。（h）在 25℃下不同相對(duì)濕度條件下避免鹽溶液泄漏的建議氯化鋰濃度（適用于制備多孔吸附劑）。（i）代表性核心-殼層或 3D 打印結(jié)構(gòu)的性能總結(jié)。

圖6.（a）通過同軸打印技術(shù)獲取的三維核殼結(jié)構(gòu)材料的數(shù)字照片。 （b）除濕實(shí)驗(yàn)以及（c）基于核殼結(jié)構(gòu)材料的循環(huán)除濕-增濕特性研究。 （d）集成有核殼結(jié)構(gòu)材料的非晶硅太陽(yáng)能電池的示意圖及數(shù)字照片。 （e）無(wú)蒸發(fā)冷卻和有蒸發(fā)冷卻時(shí)太陽(yáng)能電池的表面溫度以及（f）PCE（光電轉(zhuǎn)換效率）的變化情況。 （g）通過蒸發(fā)冷卻提高太陽(yáng)能電池發(fā)電效率的總結(jié)。 （h）不同發(fā)電技術(shù)的二氧化碳排放量對(duì)比。

研究結(jié)論

本研究通過同軸多材料3D打印技術(shù)成功制備了具有核殼結(jié)構(gòu)的吸濕性基材，該設(shè)計(jì)在材料、結(jié)構(gòu)與功能層面實(shí)現(xiàn)了多重性能增強(qiáng)策略的異質(zhì)集成，克服了傳統(tǒng)吸濕材料在性能協(xié)同上的局限。其核心創(chuàng)新體現(xiàn)在三個(gè)方面：首先，通過開發(fā)獨(dú)特的墨水配方，核心層采用嵌入氯化鋰的聚合物復(fù)合材料以提供強(qiáng)吸濕能力，并結(jié)合兩性離子聚合物實(shí)現(xiàn)鹽 retention 與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；外殼層則以纖維素納米纖維為主，構(gòu)建高孔隙率氣凝膠結(jié)構(gòu)。兩種墨水均具備良好的黏度和剪切稀化行為，確保了打印精度與機(jī)械強(qiáng)度。其次，核殼結(jié)構(gòu)通過分級(jí)孔隙設(shè)計(jì)——核心密集孔隙調(diào)控鹽含量（2.5%–15%），外殼高孔隙率最大化比表面積和蒸汽傳輸通道——實(shí)現(xiàn)了協(xié)同吸附/解吸行為，在90%相對(duì)濕度下吸水率達(dá)2.15 g/g，并在90℃下30分鐘內(nèi)釋放92%水分，兼具快速動(dòng)力學(xué)與高容量。第三，該結(jié)構(gòu)通過鹽注入效應(yīng)、聚合物膨脹、納米膜阻隔與毛細(xì)限域的協(xié)同機(jī)制，有效抑制了氯化鋰泄漏，在50次水合-干燥循環(huán)中吸水性能損失低于5.6%，顯著優(yōu)于單一材料打印對(duì)照樣。此外，同軸3D打印還支持復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的靈活成型與原位圖案化，使其在吸附驅(qū)動(dòng)除濕、蒸發(fā)冷卻等特定應(yīng)用中展現(xiàn)出高度可定制性。綜上，本研究展示了同軸多材料3D打印在構(gòu)建結(jié)構(gòu)異質(zhì)吸濕材料方面的高精度與廣泛適用性，為高性能空氣取水與熱調(diào)控系統(tǒng)提供了新的設(shè)計(jì)思路。

DOI:10.1002/adfm.74625

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