通過同軸多材料打印制備的吸濕性核殼型基材，用于定制化的大氣水分吸附

研究背景

大氣中的水蒸氣是一個儲量巨大但尚未充分利用的淡水資源，其總量遠超地表淡水，為緩解水資源短缺提供了分布廣泛且可再生的途徑。然而，濕度失控也會引發材料腐蝕、物品變質和熱舒適度下降等問題，因此開發高效的空氣水分離技術對于清潔水生產和環境調控具有重要意義。傳統的霧收集和露水凝結技術依賴高濕環境和外部能量輸入，在干旱或內陸地區適用性有限；而基于吸附的空氣水分離技術則能在較寬的相對濕度范圍內實現水蒸氣的捕獲與釋放，具有更高的環境適應性和能效優勢。該技術的核心在于開發高性能的吸濕材料。當前主流材料中，無機干燥劑（如硅膠、沸石）吸水能力有限且再生能耗高，無機吸濕鹽（如氯化鋰、氯化鈣）雖吸濕性強但易潮解、泄漏和腐蝕基底，有機吸附劑則面臨幾何穩定性差的問題，而無機-有機雜化材料（如金屬有機框架）雖動力學性能優異，但粉末形態限制了加工與規模化應用。為克服這些局限，研究者將吸濕鹽嵌入聚合物基質中構建復合吸附劑，利用聚合物的可加工性和可控孔隙結構，實現吸濕性能的優化。這類復合材料通過分級多孔結構增大反應表面積、促進蒸汽擴散，并借助孔道限域和聚合物膨脹協同吸附鹽溶液。然而，傳統制備方法難以精確調控多尺度孔隙形態，制約了其性能的充分發揮。增材制造（3D打印）技術的出現為實現復雜幾何結構和定制化孔隙提供了新路徑，尤其是在多材料打印方面，能夠構建具有成分梯度和功能分區（如核殼結構）的吸濕材料，有望解決鹽遷移與泄漏問題，提升吸附容量與循環穩定性。盡管如此，吸濕鹽-聚合物復合墨水的可打印性、材料兼容性以及高效鹽封裝策略的實現仍是當前面臨的主要挑戰，多材料3D打印在吸濕材料設計中的應用仍處于早期探索階段。

本研究通過同軸多材料3D打印技術成功開發了一種具有核-殼結構的3D吸濕性基材，展示了其在高性能吸濕材料應用中的顯著優勢。研究針對核-殼纖維設計了專用的可打印墨水，系統優化了其成分、黏度和流變性，實現了兩種墨水的精確空間集成，從而在整個三維基材中構建出結構和功能的異質性。通過對聚合物化學、核-殼幾何形態、分級孔隙率、水分擴散路徑及鹽保留機制等關鍵參數的系統調控，該材料在打印性能、機械強度、協同吸附/解吸能力和循環穩定性方面均得到了優化。實驗結果表明，該核-殼基材在90%相對濕度下24小時內的吸水量達到2.15 g/g，在90℃下30分鐘內可釋放92%的吸附水分，并在50次吸水-脫水循環中保持吸附容量和速率幾乎無衰減。該核-殼結構設計融合了多種性能提升策略，性能優于傳統多孔吸濕材料和單一材料打印的對照樣品。此外，同軸3D打印技術還實現了復雜幾何形狀的靈活成型和原位圖案化，展示了其在太陽能板定制化吸附驅動除濕和蒸發冷卻等應用中的潛力。本研究首次實現了利用同軸多材料3D打印靈活制造結構異質吸濕材料，為開發兼具可定制幾何形狀與應用功能的先進吸濕材料提供了新路徑。

相關研究以“Hygroscopic Core?Shell Matrices via Coaxial Multi-Material Printing for Tailored Atmospheric Water Sorption”為題，發表在國際知名期刊《Advanced Functional Materials》。（中科院一區TOP,JCR一區,IF=19）

相關數據

圖1.通過同軸 3D 打印所制備的核殼結構材料、交聯網絡以及吸濕性材料的不同功能的示意圖。

圖2.（a）核心和外殼基質內的結構組件及交聯反應。 （b）具有可調節外徑和內徑的雙層同軸噴嘴。 基體油墨的流變特性：（c）在剪切速率掃描下的剪切粘度，（d）在振幅掃描下的 G′ 和 G″ 變化，以及（e）在交替低（0.1%）和高（100%）應變下的 G′ 和 G″ 變化。 （f）同軸 3D 打印裝置和核心-外殼基質的數字照片。 （g）兩個墨流體擠出器內擠出壓力的打印性能優化（圖中插圖顯示了打印的核-殼線材）。 （h）打印精度的表征

圖3.通過（a）同軸噴嘴和（b）單噴嘴打印所制備的纖維的形態特征。（c）孔徑分布以及（d）芯、殼和芯殼結構的累積孔體積。（e）水接觸角測量。（f）飽和含水量（Qs）以及（g）芯、殼和芯殼結構的液態水吸收量。（h）水擴散特性。（核心和殼的標簽表示通過單噴嘴打印制備的結構，而芯殼的標簽則表示通過同軸噴嘴打印制備的結構）

圖4.（a）不同纖維內水蒸氣吸附的示意圖。不同氯化鋰濃度的三維矩陣的水蒸氣吸附特性：（b）核心矩陣，（c）核心-殼層矩陣，以及（d）兩種矩陣的水吸收量總結。濃度為 10% 氯化鋰的三維矩陣的水蒸氣吸附特性：（e）水吸收曲線和（f）表觀吸附時間尺度 τ。（g）不同矩陣的水解吸特性。（h）解吸焓特性。（i）由不同同軸噴嘴打印的三維矩陣的水蒸氣吸附特性。

圖5.（a）不同導線內氯化鋰溶液泄漏及預防的示意圖。（b）和（c）分別為核心基質和核心-殼層基質在一次吸濕-脫濕循環后的氯化鋰濃度變化。（d）和（e）為在 20 次吸濕-脫濕循環中的核心基質和核心-殼層基質的吸水率和鹽泄漏情況。（f）氯化鋰溶液泄漏及基底腐蝕的示意圖。（g）氯化鋰水合物吸濕和脫濕的相圖。（h）在 25℃下不同相對濕度條件下避免鹽溶液泄漏的建議氯化鋰濃度（適用于制備多孔吸附劑）。（i）代表性核心-殼層或 3D 打印結構的性能總結。

圖6.（a）通過同軸打印技術獲取的三維核殼結構材料的數字照片。 （b）除濕實驗以及（c）基于核殼結構材料的循環除濕-增濕特性研究。 （d）集成有核殼結構材料的非晶硅太陽能電池的示意圖及數字照片。 （e）無蒸發冷卻和有蒸發冷卻時太陽能電池的表面溫度以及（f）PCE（光電轉換效率）的變化情況。 （g）通過蒸發冷卻提高太陽能電池發電效率的總結。 （h）不同發電技術的二氧化碳排放量對比。

研究結論

本研究通過同軸多材料3D打印技術成功制備了具有核殼結構的吸濕性基材，該設計在材料、結構與功能層面實現了多重性能增強策略的異質集成，克服了傳統吸濕材料在性能協同上的局限。其核心創新體現在三個方面：首先，通過開發獨特的墨水配方，核心層采用嵌入氯化鋰的聚合物復合材料以提供強吸濕能力，并結合兩性離子聚合物實現鹽 retention 與結構穩定；外殼層則以纖維素納米纖維為主，構建高孔隙率氣凝膠結構。兩種墨水均具備良好的黏度和剪切稀化行為，確保了打印精度與機械強度。其次，核殼結構通過分級孔隙設計——核心密集孔隙調控鹽含量（2.5%–15%），外殼高孔隙率最大化比表面積和蒸汽傳輸通道——實現了協同吸附/解吸行為，在90%相對濕度下吸水率達2.15 g/g，并在90℃下30分鐘內釋放92%水分，兼具快速動力學與高容量。第三，該結構通過鹽注入效應、聚合物膨脹、納米膜阻隔與毛細限域的協同機制，有效抑制了氯化鋰泄漏，在50次水合-干燥循環中吸水性能損失低于5.6%，顯著優于單一材料打印對照樣。此外，同軸3D打印還支持復雜幾何結構的靈活成型與原位圖案化，使其在吸附驅動除濕、蒸發冷卻等特定應用中展現出高度可定制性。綜上，本研究展示了同軸多材料3D打印在構建結構異質吸濕材料方面的高精度與廣泛適用性，為高性能空氣取水與熱調控系統提供了新的設計思路。

DOI:10.1002/adfm.74625

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