淡水资源短缺已成为全球性挑战，传统水源日益紧张，而海水淡化等技术又面临高能耗与高成本的限制。大气中蕴藏着丰富的水分，是一种可持续的淡水来源。早期的大气集水技术如雾收集、露水凝结等，或依赖高湿环境，或能耗较高。近年来，基于吸附-解吸的太阳能大气集水技术备受关注，但其性能很大程度上受限于吸湿材料内部无序的结构，导致蒸汽扩散和热传递效率低下，吸附动力学缓慢，解吸能耗高。
近日，河海大学李政通、浙江海洋大学徐兴涛教授、周英棠教授和北京理工大学安盟研究员合作，提出了一种新型生物质基吸湿气凝胶，通过定向冷冻干燥技术构建了垂直排列的微流道结构。该各向异性结构能够引导水分定向垂直传输，并结合径向扩散进入次级孔隙，有效降低了蒸汽传输的弯曲度，同时提升了水结合能力。该气凝胶在80%相对湿度下吸水率达3.18 g g⁻¹，在30%相对湿度下6小时内吸附速率达0.25 g g⁻¹。经光热墨水表面改性后，在1个太阳辐照下，蒸发速率提升至2.89 kg m⁻² h⁻¹，解吸率达76.63%。户外实测显示，其日产量可达1.51 L m⁻² day⁻¹。蒙脱士的加入还显著增强了气凝胶的机械强度。该研究为优化吸湿材料内部流体与热动力学提供了结构工程策略，为缺水地区的可持续淡水供应提供了可扩展且节能的路径。相关论文以“Anisotropic Biomass Microfluidics via Directed Moisture Transport and Enhanced Water-Binding Capacity for High-Yield Solar-driven Atmospheric Water Harvesting”为题，发表在Advanced Materials。
研究团队通过定向冷冻干燥法制备了具有垂直排列微流道结构的生物质基吸湿气凝胶。图1展示了其制备过程及吸附过程中的水汽传输机制示意图。不同于传统无序孔道结构，这种有序的垂直主孔道实现了水汽的快速传输，而侧向微孔则利于水分储存，层级化的孔隙结构实现了质量与热量的紧密耦合，从而优化了传质传热效率。
图1 | BHA制备示意图及吸附过程中的蒸汽/水传输机制。 两种蒸汽/水传输路径，包括（i）无序孔道和（ii）有序孔道。
通过扫描电镜和激光显微镜对材料结构进行表征（图2），结果显示所有气凝胶均呈现出垂直排列的通道结构。随着吸湿盐LiCl含量的增加，孔隙尺寸和连通性发生规律性变化。傅里叶变换红外光谱、X射线衍射和X射线光电子能谱分析证实了LiCl的成功负载及其在吸附过程中的关键作用。材料表现出优异的亲水性，接触角可在短时间内降至0°。力学测试表明，添加蒙脱士显著提升了气凝胶的弹性模量和抗压性能。
图2 | （a）BHA横截面的SEM图像。（b）BHA纵截面的SEM图像。（c）BHA的激光显微镜图像。（d）BHA的FTIR光谱。（e）BHA的XRD光谱。（f）BHA的XPS光谱。
图3展示了气凝胶在不同湿度下的吸附动力学性能。随着LiCl含量增加，吸水能力显著提升，其中BHA-213表现最优，在80%相对湿度下吸水率达3.18 g g⁻¹，优于许多已报道的吸湿材料。吸附动力学模型分析表明，其吸附过程同时涉及物理与化学吸附。
图3 | （a–e）BHA在不同相对湿度条件下的吸附动力学。（f）BHA-213与已报道吸湿材料吸水能力的比较。（g）不同结构气凝胶在不同相对湿度下的吸水分布。
为验证结构设计的合理性，研究团队通过有限元模拟和分子动力学模拟进行了分析（图4）。模拟结果表明，与无序结构相比，有序垂直孔道结构能显著降低蒸汽扩散阻力，增加水分子与材料表面的氢键数量和吸附能，从而加速吸附动力学。小孔径结构因其更高的比表面积和限域效应，表现出更强的水结合能力。
图4 | （a）不同弯曲度因子结构的分子动力学模型。（b）MD模拟得到的纯水在有序和无序结构表面的吸附过程快照。红、粉、蓝、黄球分别代表O、H、N、C原子。（c）水吸附过程中的氢键数量。（d）水吸附过程中的平均氢键数量和吸附能。
在太阳能驱动解吸方面，如图5所示，具有垂直孔道结构的气凝胶表现出优异的蒸发性能，BHA-213的蒸发速率达2.61 kg m⁻² h⁻¹。表面涂覆光热墨水后，反射率大幅降低，蒸发速率进一步提升至2.89 kg m⁻² h⁻¹。材料在多次吸附-解吸循环后仍保持稳定的结构和性能，显示出良好的耐久性。
图5 | （a, b）BHA、ICBHA及其他复合吸湿材料在1个太阳下的水蒸气解吸曲线。（c）BHA和ICBHA的蒸发速率与解吸率。（d）BHA-213和ICBHA-213的光反射光谱。（e–g）BHA和ICBHA的表面温度变化。（h）BHA-213在10次循环中的吸附-解吸循环稳定性。（i）BHA-213在30次循环中的吸附-解吸循环稳定性。
图6展示了户外大气集水器的实测结果。在自然环境下，该装置实现了1.51 L m⁻² day⁻¹的日产量，可满足成人每日饮水需求。基于实验数据的全球产水潜力估算表明，该技术在除极端干旱地区外的大部分区域都具有应用前景。技术经济分析显示，该系统在经济性上优于瓶装水，为缺乏传统供水基础设施的地区提供了可行的分散式供水方案。
图6 | 户外大气集水实验。（a）不同条件下记录的水吸附量、环境温度、装置温度、相对湿度和太阳辐照度：（i）从夜晚到早晨，（ii）遮阴日光下，（iii）直射阳光下。（b–d）定制的大气集水器：1，槽式聚光器；2，太阳能排气扇；3，集水腔；4，铝翅片散热器；5，真空集热管；6，冷凝水导管；7，BHA气凝胶；8，抑制热对流；9，强制对流冷却。（e）基于BHA的大气集水器预估的全球年平均日产水潜力。（f, g）基准情景下基于BHA的AWH系统的技术经济分析：（f）系统投资成本，（g）以瓶装水为基准的投资回收期。
该研究通过结构工程设计，成功开发出具有垂直微流道的高性能生物质吸湿气凝胶，实现了高效的大气水分捕获与太阳能驱动释放。这项工作突出了微流道结构工程在调控蒸汽传输、水结合和热耗散中的重要性，为下一代高效节能的大气集水技术提供了可推广的设计范式，有望在水资源短缺地区发挥重要作用。