通过同轴多材料打印制备的吸湿性核壳型基材，用于定制化的大气水分吸附

研究背景

大气中的水蒸气是一个储量巨大但尚未充分利用的淡水资源，其总量远超地表淡水，为缓解水资源短缺提供了分布广泛且可再生的途径。然而，湿度失控也会引发材料腐蚀、物品变质和热舒适度下降等问题，因此开发高效的空气水分离技术对于清洁水生产和环境调控具有重要意义。传统的雾收集和露水凝结技术依赖高湿环境和外部能量输入，在干旱或内陆地区适用性有限；而基于吸附的空气水分离技术则能在较宽的相对湿度范围内实现水蒸气的捕获与释放，具有更高的环境适应性和能效优势。该技术的核心在于开发高性能的吸湿材料。当前主流材料中，无机干燥剂（如硅胶、沸石）吸水能力有限且再生能耗高，无机吸湿盐（如氯化锂、氯化钙）虽吸湿性强但易潮解、泄漏和腐蚀基底，有机吸附剂则面临几何稳定性差的问题，而无机-有机杂化材料（如金属有机框架）虽动力学性能优异，但粉末形态限制了加工与规模化应用。为克服这些局限，研究者将吸湿盐嵌入聚合物基质中构建复合吸附剂，利用聚合物的可加工性和可控孔隙结构，实现吸湿性能的优化。这类复合材料通过分级多孔结构增大反应表面积、促进蒸汽扩散，并借助孔道限域和聚合物膨胀协同吸附盐溶液。然而，传统制备方法难以精确调控多尺度孔隙形态，制约了其性能的充分发挥。增材制造（3D打印）技术的出现为实现复杂几何结构和定制化孔隙提供了新路径，尤其是在多材料打印方面，能够构建具有成分梯度和功能分区（如核壳结构）的吸湿材料，有望解决盐迁移与泄漏问题，提升吸附容量与循环稳定性。尽管如此，吸湿盐-聚合物复合墨水的可打印性、材料兼容性以及高效盐封装策略的实现仍是当前面临的主要挑战，多材料3D打印在吸湿材料设计中的应用仍处于早期探索阶段。

本研究通过同轴多材料3D打印技术成功开发了一种具有核-壳结构的3D吸湿性基材，展示了其在高性能吸湿材料应用中的显著优势。研究针对核-壳纤维设计了专用的可打印墨水，系统优化了其成分、黏度和流变性，实现了两种墨水的精确空间集成，从而在整个三维基材中构建出结构和功能的异质性。通过对聚合物化学、核-壳几何形态、分级孔隙率、水分扩散路径及盐保留机制等关键参数的系统调控，该材料在打印性能、机械强度、协同吸附/解吸能力和循环稳定性方面均得到了优化。实验结果表明，该核-壳基材在90%相对湿度下24小时内的吸水量达到2.15 g/g，在90℃下30分钟内可释放92%的吸附水分，并在50次吸水-脱水循环中保持吸附容量和速率几乎无衰减。该核-壳结构设计融合了多种性能提升策略，性能优于传统多孔吸湿材料和单一材料打印的对照样品。此外，同轴3D打印技术还实现了复杂几何形状的灵活成型和原位图案化，展示了其在太阳能板定制化吸附驱动除湿和蒸发冷却等应用中的潜力。本研究首次实现了利用同轴多材料3D打印灵活制造结构异质吸湿材料，为开发兼具可定制几何形状与应用功能的先进吸湿材料提供了新路径。

相关研究以“Hygroscopic Core−Shell Matrices via Coaxial Multi-Material Printing for Tailored Atmospheric Water Sorption”为题，发表在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》。（中科院一区TOP,JCR一区,IF=19）

相关数据

图1.通过同轴 3D 打印所制备的核壳结构材料、交联网络以及吸湿性材料的不同功能的示意图。

图2.（a）核心和外壳基质内的结构组件及交联反应。 （b）具有可调节外径和内径的双层同轴喷嘴。 基体油墨的流变特性：（c）在剪切速率扫描下的剪切粘度，（d）在振幅扫描下的 G′ 和 G″ 变化，以及（e）在交替低（0.1%）和高（100%）应变下的 G′ 和 G″ 变化。 （f）同轴 3D 打印装置和核心-外壳基质的数字照片。 （g）两个墨流体挤出器内挤出压力的打印性能优化（图中插图显示了打印的核-壳线材）。 （h）打印精度的表征

图3.通过（a）同轴喷嘴和（b）单喷嘴打印所制备的纤维的形态特征。（c）孔径分布以及（d）芯、壳和芯壳结构的累积孔体积。（e）水接触角测量。（f）饱和含水量（Qs）以及（g）芯、壳和芯壳结构的液态水吸收量。（h）水扩散特性。（核心和壳的标签表示通过单喷嘴打印制备的结构，而芯壳的标签则表示通过同轴喷嘴打印制备的结构）

图4.（a）不同纤维内水蒸气吸附的示意图。不同氯化锂浓度的三维矩阵的水蒸气吸附特性：（b）核心矩阵，（c）核心-壳层矩阵，以及（d）两种矩阵的水吸收量总结。浓度为 10% 氯化锂的三维矩阵的水蒸气吸附特性：（e）水吸收曲线和（f）表观吸附时间尺度 τ。（g）不同矩阵的水解吸特性。（h）解吸焓特性。（i）由不同同轴喷嘴打印的三维矩阵的水蒸气吸附特性。

图5.（a）不同导线内氯化锂溶液泄漏及预防的示意图。（b）和（c）分别为核心基质和核心-壳层基质在一次吸湿-脱湿循环后的氯化锂浓度变化。（d）和（e）为在 20 次吸湿-脱湿循环中的核心基质和核心-壳层基质的吸水率和盐泄漏情况。（f）氯化锂溶液泄漏及基底腐蚀的示意图。（g）氯化锂水合物吸湿和脱湿的相图。（h）在 25℃下不同相对湿度条件下避免盐溶液泄漏的建议氯化锂浓度（适用于制备多孔吸附剂）。（i）代表性核心-壳层或 3D 打印结构的性能总结。

图6.（a）通过同轴打印技术获取的三维核壳结构材料的数字照片。 （b）除湿实验以及（c）基于核壳结构材料的循环除湿-增湿特性研究。 （d）集成有核壳结构材料的非晶硅太阳能电池的示意图及数字照片。 （e）无蒸发冷却和有蒸发冷却时太阳能电池的表面温度以及（f）PCE（光电转换效率）的变化情况。 （g）通过蒸发冷却提高太阳能电池发电效率的总结。 （h）不同发电技术的二氧化碳排放量对比。

研究结论

本研究通过同轴多材料3D打印技术成功制备了具有核壳结构的吸湿性基材，该设计在材料、结构与功能层面实现了多重性能增强策略的异质集成，克服了传统吸湿材料在性能协同上的局限。其核心创新体现在三个方面：首先，通过开发独特的墨水配方，核心层采用嵌入氯化锂的聚合物复合材料以提供强吸湿能力，并结合两性离子聚合物实现盐 retention 与结构稳定；外壳层则以纤维素纳米纤维为主，构建高孔隙率气凝胶结构。两种墨水均具备良好的黏度和剪切稀化行为，确保了打印精度与机械强度。其次，核壳结构通过分级孔隙设计——核心密集孔隙调控盐含量（2.5%–15%），外壳高孔隙率最大化比表面积和蒸汽传输通道——实现了协同吸附/解吸行为，在90%相对湿度下吸水率达2.15 g/g，并在90℃下30分钟内释放92%水分，兼具快速动力学与高容量。第三，该结构通过盐注入效应、聚合物膨胀、纳米膜阻隔与毛细限域的协同机制，有效抑制了氯化锂泄漏，在50次水合-干燥循环中吸水性能损失低于5.6%，显著优于单一材料打印对照样。此外，同轴3D打印还支持复杂几何结构的灵活成型与原位图案化，使其在吸附驱动除湿、蒸发冷却等特定应用中展现出高度可定制性。综上，本研究展示了同轴多材料3D打印在构建结构异质吸湿材料方面的高精度与广泛适用性，为高性能空气取水与热调控系统提供了新的设计思路。

DOI:10.1002/adfm.74625

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