文獻快訊：Adv. Mater. 4D打印智能水凝膠實現快速吸濕與高容量大氣集水

【成果掠影 & 研究背景】

隨著全球水資源短缺問題日益嚴峻，基于吸附的大氣水收集技術因不受地理條件限制而備受關注。然而，在吸附材料設計中，快速吸附動力學與超高吸水容量之間存在難以調和的固有矛盾：為提高動力學而減小材料尺寸或增加大孔會犧牲儲水空間，而追求高容量通常會導致傳質緩慢。

哈爾濱工業大學等團隊在《Advanced Materials》上提出了一種新策略，首次利用4D打印技術，通過分子尺度動態響應網絡與宏觀結構的協同設計，構建了一種4D打印的雙功能水凝膠（4D TZG-PPY-LiCl）。該材料集成了熱響應聚合物（PNIPAM）和兩性離子聚合物（PDMAPS），并負載了聚吡咯和氯化鋰。其獨特的蜂窩狀宏觀結構提供了豐富的氣-固界面，加速了蒸汽傳輸；同時，兩性離子網絡的“鹽溶效應”賦予其高溶脹率以捕獲更多水。在30%和60%的相對濕度（RH）下，4D打印水凝膠分別在180分鐘和300分鐘內達到1.62克/克和3.54克/克的平衡吸水容量，性能是塊狀對照樣品的兩倍以上；在90% RH下，其吸水容量高達6.85克/克，處于報道材料的領先水平。此外，材料優異的光熱轉換性能可在單太陽光照下誘導親水-疏水轉變和結構收縮，實現95%的快速水釋放。該工作成功實現了快速動力學與超高吸水容量的統一。

【創新點 & 圖文摘要】

創新點：

• 方法創新：首次將4D打印技術應用于大氣水收集領域，通過數字光處理（DLP）打印出自發響應濕度/溫度的宏觀智能結構，打破了傳統吸附材料的靜態限制。

• 材料設計創新：構建了熱響應（PNIPAM）與兩性離子（PDMAPS）的雙功能聚合物網絡。PDMAPS通過“鹽溶效應”增強在LiCl環境下的溶脹能力和水捕獲量，而PNIPAM提供親疏水轉變功能以促進低溫脫附。

• 結構效應創新：4D打印的蜂窩狀結構大大增加了空氣-吸附劑接觸界面，縮短了水分子內部擴散路徑。實驗和有限元模擬均證明，此結構比塊狀材料具有更高的水擴散系數（2.54 × 10?? vs. 1.61 × 10?? cm2/s），從傳質機理上解釋了動力學提升的原因。

• 機理闡釋創新：通過分子動力學模擬，從原子尺度揭示了PDMAPS分子鏈在LiCl溶液中呈現舒展的線圈構象（回轉半徑大），而PNIPAM鏈則收縮成球狀，直觀解釋了“鹽溶”與“鹽析”效應對聚合物溶脹能力影響的微觀機制。

• 解吸能耗創新：雙功能網絡的協同作用降低了材料的水解吸能耗。差示掃描量熱法（DSC）表明，4D TZG-PPY-LiCl的解吸焓比純LiCl低11.3%，其解吸峰溫度（43.5°C）與材料低臨界溶解溫度（LCST）匹配，實現了光熱驅動與相變驅動的耦合高效脫附。

• 系統集成與實用性驗證：成功將材料放大制備，并構建了雙層交替工作的戶外大氣水收集裝置原型。該裝置實現了日夜連續運行，在實際戶外測試中成功收集到符合世界衛生組織標準的淡水，展示了實用化潛力。

• 材料性能均衡且穩定：該材料在寬濕度范圍（30%-90% RH）內均表現出色，經過300次吸附-解吸循環后仍能保持88%的初始吸水容量和良好的結構完整性，顯示出優異的循環穩定性。

Figure 1: 4D打印雙功能水凝膠的設計理念與工作原理示意圖。

Figure 2: 4D TZG-PPY-LiCl的制備與基礎表征。

Figure 3: 水凝膠的溶脹行為研究及分子動力學模擬分析。

Figure 4: 4D TZG-PPY-LiCl的吸水性能及機理研究。

Figure 5: 4D TZG-PPY-LiCl的光熱驅動水釋放性能及循環穩定性。

Figure 6: 戶外大氣水收集裝置原型測試與實際產水性能。

【總結 & 原文鏈接】

總之，本研究通過融合4D打印宏觀結構設計與智能聚合物分子設計，創造性地制備了一種雙功能水凝膠，成功破解了大氣水收集材料快速吸附動力學與超高吸水容量之間的長期權衡難題。該材料在寬濕度范圍內展現出卓越的吸水性、快速的太陽能驅動脫附能力以及良好的循環穩定性。集成化的雙層設備原型驗證了其連續產水的可行性。這項工作不僅為開發下一代高效大氣水收集吸附材料提供了全新的“材料-結構”協同設計范式，也展示了4D打印智能材料在解決全球性資源問題中的巨大應用潛力。

原文鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.202516698

聲明：以上內容僅反映作者個人見解，鑒于作者學識所限，若存有不嚴謹之處，請后臺留言指正！

熱忱歡迎各位學術界同仁分享或提交關于光-熱-電能源利用、表界面化學的相關資訊、研究成果及文章，攜手共促領域的繁榮前行：grdn_connect@163.com (推廣合作同號)