近日，材料科学与工程学院徐晓峰教授课题组在国际顶尖材料期刊《Advanced Functional Materials》（《先进功能材料》）上发表题为“Fully-Printed TPMS-Architected Hygroscopic Lattices for High-Yield Solar-Powered Atmospheric Water Harvesting”（“光固化打印TPMS光热吸湿晶格实现高效太阳能耦合大气集水”）的研究成果。该研究通过数字光处理（DLP）3D打印技术，设计制备了基于三周期最小曲面（TPMS）结构的高性能光热吸湿晶格矩阵，实现了太阳能驱动的高效大气水收集与清洁水生产，为缓解淡水资源短缺提供了极具前景的解决方案。
全球淡水资源日益紧张，吸附式大气水收集技术因其不受地域限制、可利用低品位能源驱动等优势，成为分散式供水的重要发展方向。然而，传统吸湿盐-聚合物复合吸湿材料通常具有随机孔隙结构，难以实现对水汽吸附、扩散进行精确调控，严重制约了吸湿动力学和循环稳定性等综合性能的提升。针对上述挑战，该团队通过墨水化学、光固化工艺与数学拓扑结构的协同设计，开发了适用于高精度DLP打印的吸湿墨水配方，成功制备了基于Gyroid、Diamond、Split P和Lidinoid四种TPMS单元的3D吸湿晶格矩阵（如图）。墨水中的阳离子单体（DMAEA Q）与阴离子单体（AMPS）通过静电相互作用形成“盐入”效应，在促进LiCl高效负载的同时有效抑制了盐分迁移和泄漏。DLP打印技术的引入，首次实现了TPMS这类具有连续曲面和高曲率梯度的复杂拓扑结构在吸湿材料中的精确构筑。所制备的TPMS晶格矩阵具有从毫米级周期晶格、微米级孔壁到纳米级聚合物网络的多尺度分级孔结构，协同增强了比表面积、水汽扩散通道和盐溶液毛细吸收与网络溶胀保留能力。该研究还将多循环操作策略与TPMS吸湿矩阵相结合，设计了三层交替式太阳能集水装置，采用“一层脱附、两层吸附”的动态运行模式，有效缓解了吸附与脱附之间的动力学不匹配问题。在青岛夏季户外30天连续测试中，该装置白天产水率高达2.70 L m−2，平均日产水量98.9 mL。
TPMS基吸湿矩阵及墨水、晶格结构、批量化制备与户外产水装置示意图及实物
本研究实现了DLP打印TPMS结构光热吸湿材料在高效太阳能大气水收集中的应用，从墨水配方开发、拓扑结构设计、多循环器件构建到技术经济性评估等方面开展了创新研究，为下一代可定制、可批量化、经济兼容的吸附式大气水收集技术提供了新材料与新工艺。本论文第一作者为材料科学与工程学院2022级博士研究生吴晓春同学。本研究获得了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、青岛市自然科学基金等项目的资助，得到了中国海洋大学、瑞典乌普萨拉大学、芬兰阿尔托大学和英国德比大学等国外合作导师的协助。
原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.77027
文/图：吴晓春
