近日，一項(xiàng)聚焦太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)空氣取水的新成果登上國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Materials》封面。港城大呂堅(jiān)院士/華南理工大學(xué)綦戎輝教授團(tuán)隊(duì)受海星呼吸結(jié)構(gòu)啟發(fā)，提出了一種基于極小曲面（TPMS）結(jié)構(gòu)的纏結(jié)水凝膠網(wǎng)（TSEHs），為高效、持續(xù)的空氣取水提供了全新思路。

文獻(xiàn)鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202515166

大氣水收集（AWH）正逐漸成為一種可持續(xù)的淡水生產(chǎn)策略。然而，由于吸附動(dòng)力學(xué)緩慢，尤其是在厚吸濕性水凝膠的情況下，實(shí)現(xiàn)快速大氣水收集仍然面臨挑戰(zhàn)。港城大呂堅(jiān)院士/華南理工大學(xué)綦戎輝教授合作，利用3D打印技術(shù)，模仿海星骨架的多孔結(jié)構(gòu)，制備了一種基于極小曲面（TPMS）結(jié)構(gòu)的纏結(jié)水凝膠網(wǎng)（TSEHs），其具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，有利于提高傳質(zhì)系數(shù)并形成顯著的空氣-吸濕位點(diǎn)界面，這種基于TPMS的分級(jí)結(jié)構(gòu)賦予了TSEHs快速的吸附-解吸動(dòng)力學(xué)。

空氣中蘊(yùn)藏著巨量淡水資源，但如何快速、穩(wěn)定地把這些水“抓住”并釋放出來(lái)，一直是該領(lǐng)域的關(guān)鍵難題。傳統(tǒng)吸濕水凝膠雖然儲(chǔ)水能力強(qiáng)，卻常常因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)致密、傳質(zhì)路徑過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致“吸得慢、放得也慢”，尤其在厚尺寸條件下性能下降明顯。針對(duì)這一瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)3D打印結(jié)合冷凍成膠技術(shù)，構(gòu)建出具有毫米級(jí)通道、微米級(jí)縫隙、亞微米孔隙和分子纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，大幅降低水汽傳輸阻力。

圖1. “仿生海星孔工程”以增強(qiáng)AWH性能。(a) 海星的光學(xué)圖像。 (b) 胞狀聚集體的放大圖像。所選胞狀區(qū)域在(a)中標(biāo)記。 (c-d) 胞狀及海星骨骼的掃描電鏡圖像。 (e) TSEHs的示意圖。 CDHs和TSEHs的吸附時(shí)間(f)和水釋放性能（在1個(gè)陽(yáng)光下，30分鐘）(g)的比較。 (h) CDHs和TSEHs的水吸收時(shí)間的厚度相關(guān)性。該孔工程水凝膠顯著提高了空氣取水表現(xiàn)，具有在催化、力學(xué)等方面應(yīng)用拓展?jié)撃堋?/p>

圖2. TSEHs的多尺度表征。TSEHs表現(xiàn)出明顯的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，顯著增加了空氣-吸濕位點(diǎn)的表面積并降低蒸汽在凝膠內(nèi)部的傳質(zhì)阻力，提高了AWH的表現(xiàn)

圖3. (a-c) TSEHs在機(jī)制上表現(xiàn)出相較CHDs和無(wú)多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的TPMSs顯著增強(qiáng)的空氣取水效率和傳質(zhì)能力; (d-f) 該工作制備的超厚水凝膠吸濕結(jié)構(gòu)在不同厚度下均表現(xiàn)出了優(yōu)異的空氣取水性能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)致密水凝膠相比，這種仿生結(jié)構(gòu)將吸附時(shí)間顯著縮短，在4 mm厚度下吸水速度提升約3.85倍；即使厚度增加到12 mm，其吸濕性能仍然保持優(yōu)異。更令人矚目的是，團(tuán)隊(duì)展示了50 mm超厚吸濕凝膠的快速吸水能力，這在現(xiàn)有報(bào)道中處于領(lǐng)先水平。與此同時(shí)，該材料在1個(gè)太陽(yáng)光照射下可快速升溫并高效釋水，連續(xù)集水原型裝置實(shí)現(xiàn)了4.89 kg m-2的產(chǎn)水速率，展現(xiàn)出良好的實(shí)際應(yīng)用潛力。

圖4. 脫附性能與空氣取水器件設(shè)計(jì)。團(tuán)隊(duì)同時(shí)設(shè)計(jì)了周期性旋轉(zhuǎn)的空氣取水器件，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)太陽(yáng)光下的高效產(chǎn)水。

這項(xiàng)工作不僅為生物啟發(fā)材料設(shè)計(jì)和高效空氣取水技術(shù)提供了新范式，也為面向缺水地區(qū)的低能耗淡水獲取方案打開了新的可能。未來(lái)，該策略還有望與建筑表皮、光伏系統(tǒng)等場(chǎng)景進(jìn)一步融合，為緩解水資源與能源雙重壓力提供創(chuàng)新路徑。

毛正義、于翰洋、于楨為本文共同第一作者，其他作者還包括唐志賢、李堃瑋、Amr Osman、沈君達(dá)、張磊、湯思晗、段曉光。

通訊作者簡(jiǎn)介：

呂堅(jiān)，法國(guó)國(guó)家技術(shù)科學(xué)院院士，美國(guó)國(guó)家發(fā)明家科學(xué)院（NAI）院士，香港工程院院士，香港城市大學(xué)工學(xué)院院長(zhǎng)、講席教授，先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料研究中心主任。香港材料研究會(huì)（HK-MRS）理事長(zhǎng)，香港力學(xué)學(xué)會(huì)前理事長(zhǎng)。在Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Nature Chemistry、Nature Water、Nature Communications、Science Advances、PNAS、Advanced Materials、Materials Today、PRL、JACS等雜志上發(fā)表論文650余篇，引用5萬(wàn)6千余次，H Index=108，2025年“科睿唯安”全球高被引科學(xué)家，91項(xiàng)歐、美（53項(xiàng)）、中發(fā)明專利獲授權(quán)。北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、西安交大等大學(xué)名譽(yù)教授，上海交大、西北工業(yè)大學(xué)、西南交通大學(xué)顧問(wèn)教授。2018年獲中國(guó)工程院光華工程科技獎(jiǎng)。個(gè)人主頁(yè)：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

綦戎輝，華南理工大學(xué)化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，熱質(zhì)傳遞與低碳轉(zhuǎn)化(原傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，長(zhǎng)期致力于電解質(zhì)膜傳熱傳質(zhì)、電化學(xué)-多物理場(chǎng)耦合建模、濕度發(fā)電及吸濕材料開發(fā)等相關(guān)研究，曾獲國(guó)家自然科學(xué)基金青年B類基金及廣東省杰出青年基金。主持、參與國(guó)家、省部級(jí)項(xiàng)目十余項(xiàng)。以第一/通訊作者發(fā)表SCI論文60余篇，授權(quán)發(fā)明專利12項(xiàng)。應(yīng)邀做國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議特邀報(bào)告20余次（其中大會(huì)報(bào)告2次）。任SCI期刊 Building Simulation、Energy and AI、International Journal of Green Energy編委、Fundamental research 青年編委。個(gè)人主頁(yè)：https://www2.scut.edu.cn/ce/2017/1023/c2421a224383/page.htm。

本文來(lái)自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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