港城大/華南理工《Adv Mater》：水凝膠“孔工程”，實現高效空氣取水！

大氣水收集（AWH）正逐漸成為一種可持續的淡水生產策略。然而，由于吸附動力學緩慢，尤其是在厚吸濕性水凝膠的情況下，實現快速大氣水收集仍然面臨挑戰。港城大呂堅院士/華南理工大學綦戎輝教授合作，利用3D打印技術，制備了一種基于極小曲面（TPMS）結構的纏結水凝膠網（TSEHs），其具有分級多孔結構，有利于提高傳質系數并形成顯著的空氣-吸濕位點界面。這種基于TPMS的分級結構賦予了TSEHs快速的吸附-解吸動力學。因此，與傳統的致密水凝膠（CDHs）相比，TSEHs的吸附時間顯著縮短了385%。當TSEHs的厚度從2毫米增加到12毫米時，平衡吸附時間僅略有下降，而CDHs的平衡吸附時間則呈指數級增長。同時，還開發了一種基于 TSEH 的連續太陽能驅動制水原型，在 1 個太陽光照強度下實現了 4.89 kg m-2 的高集水率，展現了其巨大的應用潛力。

圖1. “孔工程”以增強AWH性能。 (a) 海星的光學圖像。 (b) 胞狀聚集體的放大圖像。所選胞狀區域在(a)中標記。 (c-d) 胞狀及海星骨骼的掃描電鏡圖像。 (e) TSEHs的示意圖。 CDHs和TSEHs的吸附時間(f)和水釋放性能（在1個陽光下，30分鐘）(g)的比較。 (h) CDHs和TSEHs的水吸收時間的厚度相關性。該孔工程水凝膠顯著提高了空氣取水表現，具有在催化、力學等方面應用拓展潛能。

圖2. TSEHs的制備與表征。同常規水凝膠孔結構相比，TSEHs表現出明顯的多級孔結構，顯著增加了空氣-吸濕位點的表面積并降低蒸汽在凝膠內部的傳質阻力，提高了AWH的表現。

圖3. AWH性能測試。TSEHs表現出顯著增強的空氣取水效率和傳質能力，并在多次循環測試中表現出良好的穩定性。

圖4. 厚度與AWH性能關系。增加厚度使常規水凝膠吸附飽和時間指數增加，但由于孔工程設計，厚度對TSEHs水凝膠吸附飽和時間影響較小。同時該工作還制備了超厚水凝膠吸濕結構（50 mm）同樣表現出了優異的空氣取水性能。

圖5. 脫附性能與空氣取水器件設計。“孔工程“同樣賦予TSEHs水凝膠優異的脫附性能，遠遠快于常規孔結構水凝膠。同時設計了周期性旋轉的空氣取水器件，實現了在一個太陽光下的高效產水。

香港城市大學毛正義、于瀚洋、于楨為本文共同第一作者，其他作者還包括唐志賢、李堃瑋、Amr Osman、沈君達、張磊、湯思晗、段曉光。本工作獲得香港研究資助局（RGC）策略專題研究（STG）（STG2/P-705/24-R）、香港創新科技署（ITS/199/23）、廣東省科技合作項目（2023B1212120008）和國家貴金屬中心香港分中心等基金的支持。

【文獻鏈接】

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

【通訊作者簡介】

呂堅，香港城市大學機械工程講座教授，先進結構材料研究中心主任。香港材料研究會（HK-MRS）理事長，香港力學學會前理事長，廣東省大灣區激光與增材制造產業技術創新聯盟副理事長，世界新能源汽車大會科技委員會委員。78年跳級考入北京大學， 79年獲國家獎學金赴法國貢比涅技術大學讀本科, 86年獲該校博士學位。研究涉及先進納米材料制備與力學性能，3D/4D打印，結構與功能材料預應力工程。在Nature（封面文章），Science, Nature Materials, Nature Chemistry， Nature Water，Nature Communications, Science Advances, PNAS, Advanced Materials, Materials Today, PRL等雜志上發表論文650余篇，引用5萬余次，2025年“科睿唯安“全球高被引科學家, 86項歐，美（52），中發明專利獲授權。中科院首批海外評審專家及知名學者團隊成員, 中科院沈陽金屬所客座首席研究員，北京科技大學，東北大學，西安交大等大學名譽教授, 上海交大，西北工業大學，西南交通大學顧問教授。2011年被法國國家技術科學院（NATF）選為院士，是該院300余位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統任命獲國家榮譽騎士勛章及國家榮譽軍團騎士勛章，2013年和2018年分別在中國力學大會與中國材料大會上做大會報告。2018年獲中國工程院光華工程科技獎。個人主頁：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

綦戎輝，華南理工大學化工學院教授、博士生導師，熱質傳遞與低碳轉化(原傳熱強化與過程節能)教育部重點實驗室副主任，長期致力于電解質膜傳熱傳質、電化學-多物理場耦合建模、濕度發電及吸濕材料開發等相關研究，曾獲國家自然科學基金青年B類基金及廣東省杰出青年基金。主持、參與國家、省部級項目十余項。以第一/通訊作者發表SCI論文60余篇，授權發明專利12項。應邀做國內外學術會議特邀報告20余次（其中大會報告2次）。任SCI期刊 Building Simulation、Energy and AI、International Journal of Green Energy編委、Fundamental research 青年編委。個人主頁：https://www2.scut.edu.cn/ce/2017/1023/c2421a224383/page.htm

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。

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