香港城市大學呂堅院士AM：仿生結構突破大氣取水瓶頸：超厚水凝膠實現高效太陽能驅動淡水生產

隨著全球淡水資源的日益緊張，大氣水收集技術作為一種不受時空限制的分散式淡水生產方案，正受到越來越多的關注。大氣中蘊藏著約12900立方千米的水蒸氣，相當于全球河流總水量的六倍，是巨大的潛在淡水來源。然而，傳統致密水凝膠材料因其緩慢的吸附-解吸動力學，尤其是在材料厚度增加時，嚴重限制了其實際產水速率，成為該技術走向大規模應用的主要挑戰。

近日，香港城市大學呂堅院士、華南理工大學綦戎輝教授合作提出了一種基于三周期極小曲面結構的仿生糾纏水凝膠網格，通過構建分級多孔結構，顯著提升了水汽傳輸效率與吸濕界面面積，實現了快速的水分捕獲與釋放。與傳統致密水凝膠相比，該新型水凝膠的吸附時間縮短了385%，即使在厚度大幅增加至50毫米時，仍能保持優異的吸附速率。研究團隊還開發了基于該材料的連續太陽能驅動產水原型機，在標準太陽光強度下實現了每小時每平方米4.89公斤的高產水率，展現出巨大的實際應用潛力。相關論文以“Biomimetic TPMS Structure-Based Entangled Hydrogel for Efficient Solar-Driven Atmospheric Water Harvesting”為題，發表在

Advanced Materials

受海星呼吸器官——皮鰓及其TPMS骨架結構的啟發，研究團隊通過3D打印與冷凍凝膠化技術，成功制備出具有宏觀通道、微間隙、亞微孔和分子級糾纏網格的多級孔道結構水凝膠。掃描電鏡與顯微CT圖像清晰展示了其毫米級貫通通道、微米級間隙與亞微米級孔道的復合形態，這種結構極大地降低了水汽傳輸阻力，并擴大了空氣與吸濕位點的接觸界面。

圖1. TSEHs的孔工程設計以提升AWH性能 a) 海星的光學圖像。 b) 皮鰓簇的放大圖像，所選區域在圖a中標出。 c,d) 海星皮鰓與骨架的SEM圖像。 e) TSEHs的結構示意圖。 f) CDHs與TSEHs的吸附時間對比。 g) CDHs與TSEHs的水分釋放性能對比（在1個太陽光強下，30分鐘內）。 h) CDHs與TSEHs的吸水時間隨厚度變化的關系。

圖2. TSEHs的制備與表征 a) TSEHs的光學圖像。 b) TSEHs分級結構的SEM圖像。 c) 水合狀態下CDHs與TSEHs的光學與共聚焦圖像。 d) 脫水狀態下CDHs與TSEHs的光學與SEM圖像。 e) 脫水CDHs與TSEHs的孔徑分布。

在性能測試中，TSEHs表現出卓越的吸水與蒸汽吸附能力。其液體吸水可在5分鐘內達到飽和，而傳統水凝膠則需要850分鐘。在30%相對濕度下，TSEHs達到吸附平衡的時間僅為195分鐘，比傳統水凝膠快4.5倍。模擬分析進一步證實，其多級孔道有效破壞了流體邊界層，增強了表面對流，提升了水分子向材料內部的傳輸效率。

圖3. TSEHs的吸水性能 a-c) 水汽與水分在CDHs、TPMSs和TSEHs中傳輸的示意圖。 d) CDHs、TPMSs和TSEHs的溶脹率。 e) CDHs、TPMSs和TSEHs在30% RH下的吸水動力學。 f) TSEHs在30%、60%和90% RH下的吸水動力學。 g) TPMSs與TSEHs內部流體速度分布的模擬結果。 h) TPMSs與TSEHs局部速度對比。 i) 在25°C、30% RH下吸附，110°C、10% RH下解吸的吸附-解吸循環測試。

尤為突出的是，TSEHs在增大厚度時仍能保持高效的吸附性能。當厚度從2毫米增至12毫米時，傳統水凝膠的吸水能力急劇下降，而TSEHs僅出現輕微降低。通過調控TPMS單元尺寸，研究者進一步優化了其吸附速度。更令人矚目的是，團隊成功制備出厚度達50毫米的超厚TSEHs樣品，其達到吸附平衡的時間與4毫米厚的傳統水凝膠相當，創下了目前吸濕凝膠厚度的最高紀錄。

圖4. 厚度對吸濕性能影響的評估 a) 厚TSEHs中快速水汽傳輸示意圖。 b) 不同厚度CDHs與TSEHs的蒸汽吸附性能。 c) 通過調控TPMS結構單元尺寸進一步提升蒸汽吸附性能。 d) 不同厚度CDHs與TSEHs的吸水性能對比（吸收時間：100分鐘）。 e) TSEHs與近期報道研究的吸附時間與容量對比。 f) TSEHs與近期報道研究的吸附時間與厚度對比。

在太陽能驅動的水分釋放測試中，TSEHs在30分鐘內釋放了近70%的吸附水，遠高于傳統水凝膠的43%。基于這一優勢，研究者設計了一套集成8個TSEHs單元的旋轉式連續產水裝置，實現了吸附與解吸過程的同步進行。在室內測試中，該裝置取得了4.89 kg m?2 的高產水率，且所收集水質的各項離子濃度均遠低于世界衛生組織的建議限值，顯示出良好的安全性與穩定性。

圖5. 基于TSEHs的連續集水原型演示 a) TSEHs在1個太陽光強下的溫度變化。 b) TSEHs與CDHs在1個太陽光強下的水分釋放。 c) 連續集水裝置示意圖。 d) 由8個TSEHs塊組成的3D打印吸附單元陣列。 e) 分別基于TSEHs和CDHs的連續集水裝置光學圖像。 f) 基于TSEHs與CDHs的裝置集水量對比。 g) 收集水中的離子濃度，橙色虛線代表WHO建議的離子限值。

該研究通過仿生TPMS多級孔道結構的設計，成功解決了傳統水凝膠在厚度增加時吸附性能急劇下降的難題，為實現高效、可持續的大氣水收集提供了創新思路。未來，通過結合建筑立面與光伏系統，該技術有望在降低建筑能耗、提升能源效率方面發揮更大作用，為應對全球水-能源危機開辟新的路徑。