北京航空航天大学ACS Nano：仿生蜂窝纳米纤维膜实现高效大气水收集

全球淡水稀缺与水资源地理分布不均已成为制约可持续发展的关键瓶颈。论文引言指出，大气中储存约129万亿吨淡水，接近全球河流系统总量的六倍，且不受地理与空间限制，因此大气水收集（AWH）具有缓解淡水危机的潜力；但传统露水和雾收集依赖高湿度，对年均相对湿度低于40%的超过三分之一全球陆地不适用。吸附式AWH适应性更广，但吸附/解吸性能与循环稳定性是关键：沸石和硅胶吸附容量较大却动力学慢、再生能耗高；LiCl、CaCl₂、MgCl₂等干燥剂盐在低湿下吸水快，但水合时盐结晶聚集形成钝化层，阻碍水汽扩散并导致性能下降；MOF-303低湿吸附好、解吸能耗低、成本低，但颗粒易团聚且绝热，降低水汽传输与脱附再生能力；纳米纤维膜可作为MOF基体，但传统纤维膜孔道不规则、迂曲，深层MOF难以充分接触水汽，吸附剂利用率低，光滑纤维表面光捕获弱，限制解吸速率。因此，如何通过简单、可扩展的制造工艺构建独特结构，使材料兼具高吸附容量、快速吸附-解吸动力学和优良力学性能，仍是重要挑战。

北京航空航天大学郑咏梅教授课题组报道了一种具有谷-单元阵列的柔性纳米纤维膜（NMVA）。该材料受蜂窝和蜘蛛丝启发，以聚乙烯醇、炭黑和MOF-303为主要组分合理设计，利用柔性蜂窝网络、MOF装饰纳米纤维的丰富亲水位点、快速光热响应和多维结构稳定性的协同作用，促进水收集过程中的高效吸附与解吸动力学。蜂窝单元阵列的谷结构增强光捕获，利于光热转换和水释放；丰富亲水位点促进水分子捕获与吸收。NMVA在25 °C、30% RH下吸水容量约0.41 g/g，在1个太阳照射下30 min内可释放92%的吸收水；在户外平均太阳光约0.76 kW/m²、42%–68% RH条件下，经连续全天吸-释水七个循环，水收集容量达到3.85–5.0 L/(kg·d)。研究为可拓展至能源系统和便携设备水工程领域的新材料设计提供了见解。相关论文以“Flexible Nanofibrous Membrane with Valley-Cell Array of Rapid Thermal Response and Stability for Efficient Water Harvesting Performance”为题，发表在ACS Nano上。

方法上，研究受天然蜂窝和蜘蛛丝结构启发，以PVA、CB和MOF-303构建NMVA：先将含2 wt% CB的PVA溶液静电纺丝成PVA-CB纤维膜，再经戊二醛蒸气交联，并原位生长MOF-303（图1a）。该策略构建出具有优异弹性和机械强度的蜂窝纳米纤维膜；得益于多孔蜂窝网络，纺锤结纳米纤维允许MOF-303前驱液高效渗入其内部结构，独特纺锤结结构产生毛细驱动力，将MOF前驱液定向输送至节点区域，促进MOF-303快速纳米级结晶和纳米纤维高效原位改性。由此，NMVA具备微米级蜂窝网络、纺锤结纳米纤维和纳米级MOF-303颗粒的多级功能架构（图1b）：微米级蜂窝谷状结构有效吸收太阳光，纳米级MOF功能化纳米纤维负责捕获环境水汽；MOF-303丰富亲水位点与PVA亲水羟基协同加速大气水分子捕获，谷状蜂窝单元通过多角度光反射和重复光相互作用作为高效太阳光吸收单元；太阳照射下，CB组分的高导热性快速传热，打破氢键水网络并触发水分子释放，使NMVA呈现低温吸水、高温释水的温度依赖水收集行为（图1c）。这一制备路线步骤明确、可扩展，为后续性能奠定了基础。

图1 NMVA的设计与水收集原理。(a) NMVA的设计策略与制备示意。NMVA呈现由MOF装饰纺锤结纳米纤维构成的蜂窝网络谷-单元阵列，由PVA-CB溶液经静电纺丝制成PVA-CB纤维膜，随后与戊二醛蒸气交联并原位生长金属有机框架MOF-303制得。(b) NMVA功能多结构在多层次优异吸水-释水中的示意。NMVA具有高度有序的谷-单元阵列蜂窝网络，由具有丰富亲水位点的MOF装饰纺锤结组成，并具有稳健的热响应切换：低温亲水状态用于吸水，高温疏水状态用于释水。(c) NMVA水收集原理。NMVA通过MOF-303亲水活性位点和PVA亲水羟基加速捕获大气水分子；在太阳照射下，炭黑的高导热性促进氢键断裂和水分子释放，得益于MOF装饰纺锤结纳米纤维蜂窝网络的独特性，实现快速热响应和稳定的高效水收集。

结构与力学表征表明，NMVA呈现高度有序的蜂窝网络结构，谷-单元孔径约200–300 μm、深度约100–150 μm，互联胞壁约10–80 μm，纺锤结纳米纤维约500–800 nm，MOF-303颗粒约200–300 nm（图2a）；MOF-303纳米颗粒有效装饰在蜂窝网络纺锤结纳米纤维上，未破坏原始纳米纤维形貌，有序多孔蜂窝结构使MOF-303晶体均匀分布并有效缓解团聚。力学测试显示，NMVA拉伸强度为1.31 MPa、应变为58%（图2b），屈服强度0.79 MPa（图2c），最大载荷18.25 N、弹性模量11.8 MPa（图2d），均优于对照样品；大面积15×20 cm²膜可经静电纺丝和原位生长制备（图2e），折叠、弯曲和缠绕后仍保持结构稳定与完整（图2f），可承受超过自身重量1000倍的外载而不破裂（图2g），拉伸至50%应变后可完全恢复原始形貌且无明显损伤（图2h）。其力学性能提升源于蜂窝架构、互联纳米纤维网络、纳米级纤维直径和增强结晶度的协同作用；六方密堆积蜂窝结构在外力下可同步伸长而无需角偏转或旋转，实现均匀应力分布并缓解应力集中，胞壁交叉处形成大量粘结点，柔性纳米纤维粘结点使多边形网络胞壁在变形后易恢复原形（图2i）。该仿生蜂窝结构同时提供了柔韧性、强度和结构稳定性。

图2 具有谷-单元阵列的NMVA的柔性与强度。(a) NMVA的SEM图像。谷-单元孔径约200–300 μm（框i），深度约100–150 μm（框ii–iii）。MOF-303颗粒尺寸约200–300 nm（框iv）。(b) NMVA、PVA-CB和PVA-CB-GA的拉伸应力-应变曲线。NMVA拉伸强度1.31 MPa，应变58%。(c,d) 分别为PVA-CB、PVA-CB-GA和NMVA的应力与屈服强度、最大载荷与弹性模量。NMVA表现出优异力学性能。(e) NMVA光学照片，尺寸约15×20 cm²。(f) NMVA光学图像显示类橡胶性质，可弯曲、折叠和缠绕。NMVA具有优异柔韧性和韧性。(g) NMVA承载200 g重物。NMVA具有极高承载能力，在保持结构完整的同时可支撑超过自身重量1000倍的外载。(h) NMVA在50%应变拉伸测试前后的照片。NMVA拉伸后恢复原状。(i) 谷-单元阵列结构在拉伸变形与恢复测试中的演变示意。带粘结点的谷-单元阵列有利于拉伸时应力均匀分布；变形后结构可恢复至初始状态。

吸水性能方面，动态水汽吸附测试显示，NMVA在30%、40%和50% RH下最初20 min内达到吸附饱和，在60%和80% RH下60 min内达到饱和；在30%、40%、50%、60%和80% RH下饱和吸水容量分别为0.41、0.45、0.49、0.78和1.15 g/g，说明其在宽RH范围内具有水收集能力（图3a）。与纯MOF-303粉末相比，NMVA在30%–80% RH范围内吸水性能明显更好（图3b）；在周期湿度变化下，NMVA吸附动力学显著快于纯MOF-303（图3c）。温度影响方面，15、25和35 °C、50% RH下NMVA饱和吸水容量分别为0.57、0.49和0.48 g/g，呈现低温高吸附、高温低吸附（图3d），源于MOF-303强氢键机制与蜂窝结构无扩散壁垒的协同。24 h室内测试中，24–26 °C、43%–59% RH下NMVA吸水容量逐渐增加（图3h）；30% RH、25 °C下60 min吸水、1个太阳下30 min释水的20次吸-释水循环显示稳定性（图3g），最初60 min内其吸水速率在宽湿度范围内显著高于多数已报道先进吸湿材料（图3i）。NMVA在宽湿度范围内实现了高效、快速且循环稳定的吸水。

图3 NMVA的吸水性能。(a) NMVA在25 °C、30%、40%、50%、60%和80% RH下的吸水容量分别为0.41、0.45、0.49、0.78和1.15 g/g。(b) NMVA与MOF-303在30%、40%、50%、60%和80% RH下吸水容量比较。(c) NMVA在25 °C连续40%、60%和80% RH下的动态吸水曲线。(d) NMVA在15、25和35 °C、50% RH下的吸水等温线；相应平衡吸水容量分别为0.57、0.49和0.48 g/g。(e) 采用Fick第二定律对30%、60%和80% RH下吸附数据的扩散模型拟合及计算扩散系数（Dab）。(f) NMVA在25 °C、30%、40%、50%、60%和80% RH下的吸水速率。(g) 在30% RH和25 °C下，60 min吸水、1个太阳下30 min释水的20次吸水-释水循环稳定性。(h) 在43%–59% RH范围内，24 h室内吸水容量随温度和湿度的变化。(i) 不同相对湿度条件下多种吸附剂在最初60 min内的吸水速率比较。NMVA在宽相对湿度范围内表现出显著更高的吸水速率，展示其在实际环境条件下优异的吸湿动力学。

释水性能方面，NMVA在200–2500 nm范围内光吸收超过90%，而MOF-303和PVA纳米纤维光吸收仅13%和3%（图4a）；1个太阳下NMVA表面温度从0 s的25 °C升至300 s的74 °C（图4b、图4c）；其光热性能优于MOF-303和PVA纳米纤维。不同光强下，1.5个太阳下300 s内NMVA达到88 °C，即使0.5个太阳下仍达52 °C（图4d）；5次光热循环后NMVA仍能保持约74 °C的稳定温度（图4e）。40% RH吸附饱和后，0.5、0.75、1.0和1.5个太阳下30 min内释水容量分别为0.27、0.37、0.41和0.44 g/g（图4f）；不同温度下，40、50、60、70和80 °C下10 min内释水比例分别为36%、74%、85%、88%和95%（图4g）。NMVA在约40% RH下最初5 min吸水速率达0.063 g/(g·min)（图4h），并在1个太阳下5 min内以0.074 g/(g·min)速率快速释放所捕获水分（图4i）。谷-单元阵列与CB协同赋予NMVA快速光热响应和稳定、高效释水能力。

图4 NMVA的释水性能。(a) NMVA、MOF-303和PVA纳米纤维在200–2500 nm范围内的光吸收。(b) 1个太阳下NMVA表面温度随时间变化。(c) 1个太阳下NMVA红外热图像。(d) NMVA在0.5、1.0和1.5个太阳下表面温度。(e) 5次光热循环中NMVA的温度稳定性。(f) 在40% RH吸附饱和后，NMVA在不同太阳辐照下30 min内释水容量。(g) NMVA在40、50、60、70和80 °C下10 min内释水比例。(h) NMVA在约40% RH下最初5 min的吸水速率。(i) NMVA在1个太阳下最初5 min的释水速率。

户外验证中，2025年8月6日19:00至8月7日17:30在北京航空航天大学沙河校区记录户外环境条件，环境温度约26–34 °C，RH约38%–78%；8月7日8:00至17:30太阳辐射强度约0.53–1.21 kW/m²（图5a）。8月7日8:00至17:30进行七次吸-释水循环，每次吸水60 min、释水30 min，估算七次循环总日吸水量达5.4 L/(kg·d)，总释水容量5.03 L/(kg·d)（图5b）。2025年9月1日至7日连续七天户外测试中，平均温度21–29 °C，平均RH 61%–84%，平均太阳辐射0.76 kW/m²（图5c、图5d），NMVA吸水3.51–7.9 L/(kg·d)、释水2.95–6.6 L/(kg·d)（图5e）；即使在低湿条件下，NMVA仍实现2.95–3.85 L/(kg·d)水收集容量。ICP-MS测得Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺和Al³⁺浓度均符合世界卫生组织饮用水标准（图5f），总有机碳含量也符合饮用水标准；综合比较显示，NMVA在吸水、再生容量、循环稳定性、可持续性和可加工性方面较沸石、纯MOF和水凝胶等材料具有独特优势（图5g）。NMVA在真实户外条件下具备连续多循环水收集能力和饮用水水质安全性。

图5 户外水收集测试。(a) 2025年8月6日19:00至8月7日17:30在北京航空航天大学沙河校区记录的户外环境条件下吸水与释水。环境温度约26–34 °C，RH 38%–78%。8月7日8:00至17:30太阳辐射强度约0.53–1.21 kW/m²。8月6日19:00至8月7日8:00，NMVA吸水约1.15 g/g。(b) 户外实验期间吸水-释水变化。白天对NMVA进行七次吸水-释水实验。吸水容量分别约1.15、约1.15、约0.82、约0.76、约0.62、约0.42和约0.48 g/g；释水容量分别约1.02、约1.07、约0.80、约0.61、约0.39和约0.40 g/g。(c,d) 连续7天环境条件变化记录。户外水收集实验于2025年9月1日至7日在北京航空航天大学沙河校区进行，温度21–29 °C，RH 61%–84%。平均太阳辐照0.76 kW/m²。(e) 7天循环水收集实验的吸水-释水。吸水容量3.51–7.9 L/(kg·d)，释水2.95–6.6 L/(kg·d)。(f) 水质检测。电感耦合等离子体质谱测得Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺和Al³⁺浓度均低于世界卫生组织饮用水标准。(g) NMVA与其他材料（沸石、纯MOF和水凝胶）在吸水、再生容量、循环稳定性、可持续性和可加工性方面的水收集性能比较。

本研究设计了用于大气水收集的NMVA水收集器。MOF-303与富羟基PVA结合形成的亲水基团组成和多孔蜂窝结构，使NMVA具有优异水收集性能：25 °C、40% RH下吸水容量0.45 g/g，太阳暴露30 min内解吸0.41 g/g吸附水；自制快速循环AWH装置使水收集器在一天内完成七次连续吸附-解吸循环，水收集速率达2.95–6.6 L/(kg·d)。与单独MOF-303相比，该工作进一步解决了MOF-303粉末在低湿条件下吸附能力差的问题。研究为大气水收集材料设计提供了新视角，有望推进AWH技术实际应用，并为欠发达地区淡水稀缺提供可行解决方案。