AM||基于仿生TPMS结构的缠绕水凝胶高效太阳能驱动大气集水

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研究背景

淡水是人类文明的基本要素，大气中蕴藏的水量巨大，使其成为一种重要的分散式淡水来源，大气集水（AWH）因此成为一项具有吸引力的取水技术。在各类吸水材料中，水凝胶型吸水剂因吸水性高、成本低且易扩展而展现出应用潜力，但传统致密水凝胶（CDHs）受限于其致密结构和小孔径，导致水蒸气捕获与释放动力学缓慢，制约了产水效率。虽然已有研究通过制备薄膜、构建多孔结构等方式试图提升性能，但通常水凝胶厚度仅约2毫米，在吸水总量与吸附速率之间难以兼顾。受海星呼吸器官——丘疹及其网状骨骼结构的启发，该结构具有高孔隙率、高比表面积和低传质阻力等特点，为设计兼具高效吸附与快速传质的大气集水材料提供了新思路。

通过模仿海星的三重周期最小表面（TPMS）结构，本研究设计了一种具有缠绕网状结构的多孔水凝胶（TSEHs）。该结构构建了从毫米级通道到分子网络的多级传质路径，大幅降低了水蒸气与溶液的输运阻力，并扩大了吸湿界面。因此，TSEHs在吸附与脱附动力学上显著优于传统致密水凝胶：在4 mm厚度下，吸附时间缩短至1/3.85；光照下30分钟内的释水量提高至1.6倍；即使厚度增至12 mm，吸附时间也从2500分钟大幅减少至250分钟，且50 mm超厚样品仍保持高效吸湿。基于此，进一步开发了太阳能驱动的旋转集水原型机，展现了其在实际持续产水中的应用潜力。

相关工作以“Biomimetic TPMS Structure-Based Entangled Hydrogel for Efficient Solar-Driven Atmospheric Water Harvesting”为题，发表在《ADVANCED MATERIALS》期刊上。（中科院一区TOP,JCR一区，IF=26.8）

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相关数据

图1：用于增强AWHs性能的TSEH的孔工程。a)海星的光学图像。b)丘疹样团的放大图像。所选丘疹的区域在(a)中标出。c、d)海星丘疹和骨骼的扫描电子显微镜图像。e)TSEH的原理图。比较了CDHs和TSEHs的吸附时间，f)和释水性能(日照30min)，g)。H)CDHS和TSEHs的吸水时间与厚度的关系。

图2：TSEHs的制备和表征。a)TSEH的光学图像。b)TSEH的层次结构的扫描电子显微镜图像。利用3D打印技术制备大通道，而微间隙和亚微孔是通过融化微区冰晶形成的。c)水合的CDHS和TSEH的光学和共聚焦图像。CDHS的水凝胶网状结构即使在完全水化的情况下仍保持其无缝和玻璃状结构，而在TSEH的缠绕网状结构中观察到大量的缝隙和孔洞。d)脱水的CDHS和TSEHs的光学和扫描电子显微镜图像。CDHS表现出致密的、无孔的表面，而TSEH表现出高度相互连接的多孔结构。e)脱水的CDHS和TSEHs的孔径分布。

图3：TSEHs的吸水性能。a)CDHS、b)TPMS和c)TSEHs中的水蒸气和水转移示意图。d)CDHS、TPMS和TSEHs的膨胀率。e)CDHS、TPMS和TSEHs在30%RH下的吸水动态。f)TSEHs在30%、60%和90%相对湿度下的吸水动态。g)分别模拟了TPMS和TSEH内部的流体速度分布。h)TPMS和TSEH的局域速度比较。i)在25℃和30%相对湿度下进行吸附-解吸循环试验，在110℃和10%相对湿度下进行解吸循环试验。

图4：评价厚度对吸湿性能的影响。a)厚TSEH中快速蒸汽传输的示意图。b)不同厚度的CDHS和TSEH的吸汽性能。c)通过控制TPMS结构的晶胞尺寸进一步提高蒸汽吸附性能。d)不同厚度的CDHS和TSEH的吸水性能比较(吸水时间：100分钟)。e)将TSEHs的吸附时间和容量与最近报道的研究结果进行比较。f)将TSEHs的吸附时间和厚度与最近报道的研究结果进行比较。

图5：基于TSEHs的连续集水样机演示。a)1日照下TSEHs的温度变化。b)TSEHs和CDHS在1日照下的水分释放。c)连续取水装置示意图。d)3D打印的吸附单元阵列由8个TSEH块组成。e)分别带有TSEH和CDHS的连续水收集装置的光学图像。f)比较基于TSEH的装置和基于CDHS的装置收集的水。g)收集的水的离子浓度，橙色虚线代表世卫组织建议的离子公约。

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研究结论

综上所述，利用生物灵感的分层TPMS结构来减少传质阻力，并增强空气和吸湿性部位之间的界面。这种设计即使在较高的厚度下也能产生优异的AWH性。制备的TSEHs在200min内快速吸水1.28g g−1，并具有快速解吸性能，在≈20min内释放出90%以上的捕获水。随着厚度的增加，AWH的吸收性能受到的影响很小，而传统水凝胶达到平衡所需的时间呈指数级增加。我们还展示了对破纪录厚度为50 mm的TSEHs的快速吸附。此外，还研制了连续集水样机，在1个日照下实现了4.89 kg m−2和1.15 kg−1的高集水率，突出了其实际应用。这种孔隙工程能够快速吸收和释放水分，从而在体积和重量上产生显著的产水量，为高效的AWH设计铺平了道路。

在实际应用中，TSEHs的单位原材料成本约为0.411美元。虽然直接3D打印大尺寸样品仍存在挑战，但通过批量打印组件并进行组装，可实现规模化生产，同时需评估其全生命周期的环境影响。技术经济分析显示，TSEHs在高湿度与强光照地区性能更优，而在低湿度条件下吸附量显著下降；此外，空气中的污染物可能影响长期性能，需要定期维护。值得关注的是，TSEHs可与建筑立面或光伏系统集成，通过快速水收集与蒸发能力降低能耗或提升发电效率，从而展现出应对水能源危机的应用潜力。

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DOI:10.1002/adma.202515166

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