港城大/华南理工《Adv Mater》：水凝胶“孔工程”，实现高效空气取水！

大气水收集（AWH）正逐渐成为一种可持续的淡水生产策略。然而，由于吸附动力学缓慢，尤其是在厚吸湿性水凝胶的情况下，实现快速大气水收集仍然面临挑战。港城大吕坚院士/华南理工大学綦戎辉教授合作，利用3D打印技术，制备了一种基于极小曲面（TPMS）结构的缠结水凝胶网（TSEHs），其具有分级多孔结构，有利于提高传质系数并形成显著的空气-吸湿位点界面。这种基于TPMS的分级结构赋予了TSEHs快速的吸附-解吸动力学。因此，与传统的致密水凝胶（CDHs）相比，TSEHs的吸附时间显著缩短了385%。当TSEHs的厚度从2毫米增加到12毫米时，平衡吸附时间仅略有下降，而CDHs的平衡吸附时间则呈指数级增长。同时，还开发了一种基于 TSEH 的连续太阳能驱动制水原型，在 1 个太阳光照强度下实现了 4.89 kg m-2 的高集水率，展现了其巨大的应用潜力。

图1. “孔工程”以增强AWH性能。 (a) 海星的光学图像。 (b) 胞状聚集体的放大图像。所选胞状区域在(a)中标记。 (c-d) 胞状及海星骨骼的扫描电镜图像。 (e) TSEHs的示意图。 CDHs和TSEHs的吸附时间(f)和水释放性能（在1个阳光下，30分钟）(g)的比较。 (h) CDHs和TSEHs的水吸收时间的厚度相关性。该孔工程水凝胶显著提高了空气取水表现，具有在催化、力学等方面应用拓展潜能。

图2. TSEHs的制备与表征。同常规水凝胶孔结构相比，TSEHs表现出明显的多级孔结构，显著增加了空气-吸湿位点的表面积并降低蒸汽在凝胶内部的传质阻力，提高了AWH的表现。

图3. AWH性能测试。TSEHs表现出显著增强的空气取水效率和传质能力，并在多次循环测试中表现出良好的稳定性。

图4. 厚度与AWH性能关系。增加厚度使常规水凝胶吸附饱和时间指数增加，但由于孔工程设计，厚度对TSEHs水凝胶吸附饱和时间影响较小。同时该工作还制备了超厚水凝胶吸湿结构（50 mm）同样表现出了优异的空气取水性能。

图5. 脱附性能与空气取水器件设计。“孔工程“同样赋予TSEHs水凝胶优异的脱附性能，远远快于常规孔结构水凝胶。同时设计了周期性旋转的空气取水器件，实现了在一个太阳光下的高效产水。

香港城市大学毛正义、于瀚洋、于桢为本文共同第一作者，其他作者还包括唐志贤、李堃玮、Amr Osman、沈君达、张磊、汤思晗、段晓光。本工作获得香港研究资助局（RGC）策略专题研究（STG）（STG2/P-705/24-R）、香港创新科技署（ITS/199/23）、广东省科技合作项目（2023B1212120008）和国家贵金属中心香港分中心等基金的支持。

【文献链接】

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

【通讯作者简介】

吕坚，香港城市大学机械工程讲座教授，先进结构材料研究中心主任。香港材料研究会（HK-MRS）理事长，香港力学学会前理事长，广东省大湾区激光与增材制造产业技术创新联盟副理事长，世界新能源汽车大会科技委员会委员。78年跳级考入北京大学， 79年获国家奖学金赴法国贡比涅技术大学读本科, 86年获该校博士学位。研究涉及先进纳米材料制备与力学性能，3D/4D打印，结构与功能材料预应力工程。在Nature（封面文章），Science, Nature Materials, Nature Chemistry， Nature Water，Nature Communications, Science Advances, PNAS, Advanced Materials, Materials Today, PRL等杂志上发表论文650余篇，引用5万余次，2025年“科睿唯安“全球高被引科学家, 86项欧，美（52），中发明专利获授权。中科院首批海外评审专家及知名学者团队成员, 中科院沈阳金属所客座首席研究员，北京科技大学，东北大学，西安交大等大学名誉教授, 上海交大，西北工业大学，西南交通大学顾问教授。2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院300余位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获国家荣誉骑士勋章及国家荣誉军团骑士勋章，2013年和2018年分别在中国力学大会与中国材料大会上做大会报告。2018年获中国工程院光华工程科技奖。个人主页：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

綦戎辉，华南理工大学化工学院教授、博士生导师，热质传递与低碳转化(原传热强化与过程节能)教育部重点实验室副主任，长期致力于电解质膜传热传质、电化学-多物理场耦合建模、湿度发电及吸湿材料开发等相关研究，曾获国家自然科学基金青年B类基金及广东省杰出青年基金。主持、参与国家、省部级项目十余项。以第一/通讯作者发表SCI论文60余篇，授权发明专利12项。应邀做国内外学术会议特邀报告20余次（其中大会报告2次）。任SCI期刊 Building Simulation、Energy and AI、International Journal of Green Energy编委、Fundamental research 青年编委。个人主页：https://www2.scut.edu.cn/ce/2017/1023/c2421a224383/page.htm

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢作者团队支持。

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