香港城市大学吕坚院士AM：仿生结构突破大气取水瓶颈：超厚水凝胶实现高效太阳能驱动淡水生产

随着全球淡水资源的日益紧张，大气水收集技术作为一种不受时空限制的分散式淡水生产方案，正受到越来越多的关注。大气中蕴藏着约12900立方千米的水蒸气，相当于全球河流总水量的六倍，是巨大的潜在淡水来源。然而，传统致密水凝胶材料因其缓慢的吸附-解吸动力学，尤其是在材料厚度增加时，严重限制了其实际产水速率，成为该技术走向大规模应用的主要挑战。

近日，香港城市大学吕坚院士、华南理工大学綦戎辉教授合作提出了一种基于三周期极小曲面结构的仿生纠缠水凝胶网格，通过构建分级多孔结构，显著提升了水汽传输效率与吸湿界面面积，实现了快速的水分捕获与释放。与传统致密水凝胶相比，该新型水凝胶的吸附时间缩短了385%，即使在厚度大幅增加至50毫米时，仍能保持优异的吸附速率。研究团队还开发了基于该材料的连续太阳能驱动产水原型机，在标准太阳光强度下实现了每小时每平方米4.89公斤的高产水率，展现出巨大的实际应用潜力。相关论文以“Biomimetic TPMS Structure-Based Entangled Hydrogel for Efficient Solar-Driven Atmospheric Water Harvesting”为题，发表在

Advanced Materials

受海星呼吸器官——皮鳃及其TPMS骨架结构的启发，研究团队通过3D打印与冷冻凝胶化技术，成功制备出具有宏观通道、微间隙、亚微孔和分子级纠缠网格的多级孔道结构水凝胶。扫描电镜与显微CT图像清晰展示了其毫米级贯通通道、微米级间隙与亚微米级孔道的复合形态，这种结构极大地降低了水汽传输阻力，并扩大了空气与吸湿位点的接触界面。

图1. TSEHs的孔工程设计以提升AWH性能 a) 海星的光学图像。 b) 皮鳃簇的放大图像，所选区域在图a中标出。 c,d) 海星皮鳃与骨架的SEM图像。 e) TSEHs的结构示意图。 f) CDHs与TSEHs的吸附时间对比。 g) CDHs与TSEHs的水分释放性能对比（在1个太阳光强下，30分钟内）。 h) CDHs与TSEHs的吸水时间随厚度变化的关系。

图2. TSEHs的制备与表征 a) TSEHs的光学图像。 b) TSEHs分级结构的SEM图像。 c) 水合状态下CDHs与TSEHs的光学与共聚焦图像。 d) 脱水状态下CDHs与TSEHs的光学与SEM图像。 e) 脱水CDHs与TSEHs的孔径分布。

在性能测试中，TSEHs表现出卓越的吸水与蒸汽吸附能力。其液体吸水可在5分钟内达到饱和，而传统水凝胶则需要850分钟。在30%相对湿度下，TSEHs达到吸附平衡的时间仅为195分钟，比传统水凝胶快4.5倍。模拟分析进一步证实，其多级孔道有效破坏了流体边界层，增强了表面对流，提升了水分子向材料内部的传输效率。

图3. TSEHs的吸水性能 a-c) 水汽与水分在CDHs、TPMSs和TSEHs中传输的示意图。 d) CDHs、TPMSs和TSEHs的溶胀率。 e) CDHs、TPMSs和TSEHs在30% RH下的吸水动力学。 f) TSEHs在30%、60%和90% RH下的吸水动力学。 g) TPMSs与TSEHs内部流体速度分布的模拟结果。 h) TPMSs与TSEHs局部速度对比。 i) 在25°C、30% RH下吸附，110°C、10% RH下解吸的吸附-解吸循环测试。

尤为突出的是，TSEHs在增大厚度时仍能保持高效的吸附性能。当厚度从2毫米增至12毫米时，传统水凝胶的吸水能力急剧下降，而TSEHs仅出现轻微降低。通过调控TPMS单元尺寸，研究者进一步优化了其吸附速度。更令人瞩目的是，团队成功制备出厚度达50毫米的超厚TSEHs样品，其达到吸附平衡的时间与4毫米厚的传统水凝胶相当，创下了目前吸湿凝胶厚度的最高纪录。

图4. 厚度对吸湿性能影响的评估 a) 厚TSEHs中快速水汽传输示意图。 b) 不同厚度CDHs与TSEHs的蒸汽吸附性能。 c) 通过调控TPMS结构单元尺寸进一步提升蒸汽吸附性能。 d) 不同厚度CDHs与TSEHs的吸水性能对比（吸收时间：100分钟）。 e) TSEHs与近期报道研究的吸附时间与容量对比。 f) TSEHs与近期报道研究的吸附时间与厚度对比。

在太阳能驱动的水分释放测试中，TSEHs在30分钟内释放了近70%的吸附水，远高于传统水凝胶的43%。基于这一优势，研究者设计了一套集成8个TSEHs单元的旋转式连续产水装置，实现了吸附与解吸过程的同步进行。在室内测试中，该装置取得了4.89 kg m⁻² 的高产水率，且所收集水质的各项离子浓度均远低于世界卫生组织的建议限值，显示出良好的安全性与稳定性。

图5. 基于TSEHs的连续集水原型演示 a) TSEHs在1个太阳光强下的温度变化。 b) TSEHs与CDHs在1个太阳光强下的水分释放。 c) 连续集水装置示意图。 d) 由8个TSEHs块组成的3D打印吸附单元阵列。 e) 分别基于TSEHs和CDHs的连续集水装置光学图像。 f) 基于TSEHs与CDHs的装置集水量对比。 g) 收集水中的离子浓度，橙色虚线代表WHO建议的离子限值。

该研究通过仿生TPMS多级孔道结构的设计，成功解决了传统水凝胶在厚度增加时吸附性能急剧下降的难题，为实现高效、可持续的大气水收集提供了创新思路。未来，通过结合建筑立面与光伏系统，该技术有望在降低建筑能耗、提升能源效率方面发挥更大作用，为应对全球水-能源危机开辟新的路径。