AM||基于仿生TPMS結構的纏繞水凝膠高效太陽能驅動大氣集水

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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出應用潛力，但傳統致密水凝膠（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——丘疹及其網狀骨骼結構的啟發，該結構具有高孔隙率、高比表面積和低傳質阻力等特點，為設計兼具高效吸附與快速傳質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絡的多級傳質路徑，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于傳統致密水凝膠：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。基于此，進一步開發了太陽能驅動的旋轉集水原型機，展現了其在實際持續產水中的應用潛力。

相關工作以“Biomimetic TPMS Structure-Based Entangled Hydrogel for Efficient Solar-Driven Atmospheric Water Harvesting”為題，發表在《ADVANCED MATERIALS》期刊上。（中科院一區TOP,JCR一區，IF=26.8）

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相關數據

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表現出致密的、無孔的表面，而TSEH表現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。f)TSEHs在30%、60%和90%相對濕度下的吸水動態。g)分別模擬了TPMS和TSEH內部的流體速度分布。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-解吸循環試驗，在110℃和10%相對濕度下進行解吸循環試驗。

圖4：評價厚度對吸濕性能的影響。a)厚TSEH中快速蒸汽傳輸的示意圖。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生優異的AWH性。制備的TSEHs在200min內快速吸水1.28g g?1，并具有快速解吸性能，在≈20min內釋放出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，而傳統水凝膠達到平衡所需的時間呈指數級增加。我們還展示了對破紀錄厚度為50 mm的TSEHs的快速吸附。此外，還研制了連續集水樣機，在1個日照下實現了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生顯著的產水量，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，但通過批量打印組件并進行組裝，可實現規模化生產，同時需評估其全生命周期的環境影響。技術經濟分析顯示，TSEHs在高濕度與強光照地區性能更優，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集成，通過快速水收集與蒸發能力降低能耗或提升發電效率，從而展現出應對水能源危機的應用潛力。

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DOI:10.1002/adma.202515166

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