3D打印多级孔结构实现空气集水技术重大突破
全球约有40亿人口每年至少有一个月面临严重水资源短缺，尤其是在缺乏传统淡水资源的干旱地区。空气取水作为一种分散式供水解决方案备受关注，然而其实际应用受到传统吸附剂缓慢吸附动力学的严重制约。现有研究多聚焦于单一尺度的结构设计，无法有效缓解跨尺度、多步骤的传质阻力。从宏观气流到微观孔隙扩散，再到纳米活性位点的吸附，水分子需要经历多级运输过程，整体动力学性能受限于其中阻力最大的环节。尽管近年来在金属有机框架分子设计、微米尺度孔道工程等方面取得了重要进展，但实现从纳米到宏观的多尺度协同设计仍是该领域的核心挑战。
针对上述瓶颈，李廷贤研究员、谢宇俊副教授和中国科学院工程热物理研究所许闽副研究员合作开发了一种热后处理辅助的3D打印策略，成功构建了具有多级孔结构的铝磷酸盐分形框架（图1a）。该方法通过整合三种不同尺度的工程手段，实现了全尺度传质优化：在宏观尺度，采用直写成型3D打印技术构建理论优化的分形通道和中心对流通道，大幅增强空气侧表面传质；在微观尺度，通过热激活气体释放策略构建晶间通道，降低曲度和分子扩散阻力；在纳米尺度，利用高温热再生原位去除结构导向剂，激活吸附位点以实现快速晶内传输。与传统随机堆积吸附剂相比，这一多级结构实现了吸附动力学12倍、脱附动力学14倍的显著提升。基于该材料构建的模块化空气取水原型装置，在30%至60%相对湿度条件下实现了每日每公斤吸附剂3.77至5.20升水的优异产水率。相关论文以“3D-printed multiscale-ordered hierarchical frameworks for rapid atmospheric water harvesting”为题，发表在Nature Sustainability上。
分形结构设计显著提升水扩散性能
研究团队首先对水分子在吸附体系中的输运阻力进行了系统分析。传统堆积吸附剂中的传质阻力主要包括气流阻力、表面阻力、晶间阻力和晶内阻力，分别对应系统级、器件级、材料级和单元级的水汽传输。其中晶间和晶内阻力主导了跨尺度传质过程（图1a）。为降低整体曲度，研究者受树分支结构的启发，设计了从零阶到四阶的系列分形多孔结构。数值模拟结果显示，四阶结构单体的有效扩散系数是零阶结构的28.4倍，吸附平衡时间显著缩短至不足一小时（图1c,d,e）。考虑到四阶结构3D打印的复杂性和通道空间的限制，研究团队最终选择三阶结构作为快速吸附-解吸空气取水的最优设计方案。
图1 | 仿生分形吸附剂用于加速空气取水的多级层次化设计。 a，堆积式水吸附剂的跨尺度水传输与吸附过程及各级传输阻力。 b，孔隙率对重量法吸附动力学的影响(i)和体积法吸附动力学的影响(ii)，以及曲度对吸附动力学的影响(iii)。 c，仿生分形结构设计的层级多孔吸附体及其横截面在30分钟水吸附后吸附完成百分比的数值模拟结果。 d，不同分形结构的堆积吸附体中水汽传输的无量纲有效扩散系数。 e，不同层级结构堆积吸附体的吸附平衡时间数值模拟结果。
热后处理辅助3D打印构建多级孔结构
研究团队选用具有SFO拓扑结构的类沸石铝磷酸盐作为吸附剂材料，其具有低成本、可规模化合成和低再生温度等优势。将未活化的铝磷酸盐粉末与可高温降解的生物聚合物结合制备打印浆料，通过直写成型技术成型后，再经两步热后处理：首先加热至350°C使粘结剂原位分解，在铝磷酸盐晶体间生成大量微米级大孔；随后升温至500°C释放微孔内的结构导向剂，暴露纳米级微孔（图2a）。与传统3D打印制备的原始多孔吸附剂相比，该方法制备的多级孔分形框架孔隙率从33%提升至61%（图2d），微孔体积、比表面积和氮气吸附容量均有显著提升（图2b,c）。更重要的是，粘结剂和结构导向剂原位热分解产生的气体会沿最小传质阻力路径自发流动，从吸附位点向吸附体表面高效构建传质通道。所制备的吸附体单块尺寸为25×25×8毫米，具有厘米级宏观通道（图2e）、毫米级三阶分形通道（图2f）、微米级晶间大孔（图2g）和纳米级晶内微孔（图2h），热导率相比自然堆积粉末提高了200%。
图2 | 热后处理辅助3D打印可规模化制备多级孔分形框架。 a，未活化的铝磷酸盐粉末首先通过直写成型转变为牢固堆积的吸附体，随后该吸附体经历两步热后处理彻底去除粘结剂和结构导向剂，在相邻铝磷酸盐晶体间产生微米级大孔并在铝磷酸盐晶体内产生纳米级微孔。 b，铝磷酸盐粉末、多级孔分形框架、原始多孔吸附剂和粘结剂的X射线衍射图谱。 c，多级孔分形框架和原始多孔吸附剂中的孔径分布。 d，多级孔分形框架与原始多孔吸附剂的孔隙率比较。 e-h，从纳米尺度到厘米尺度的多级孔分形框架中的多级层状孔结构。 e，具有厘米级3D打印宏观通道的铝磷酸盐吸附体的光学图像。 f，毫米级三阶分形通道的光学图像。 g，多级孔分形框架的扫描电镜图像，显示相邻剑形铝磷酸盐晶体间存在丰富的大孔（微米尺度）。 h，多级孔分形框架的高分辨透射电镜图像，显示晶格条纹（纳米尺度）。实验独立重复三次。比例尺：1厘米(e)，2毫米(f)，200纳米(g)，5纳米(h)。
原子尺度验证完整微孔结构
研究团队从理论和实验两个层面验证了多级孔分形框架中铝磷酸盐的微观结构。该材料的骨架由5元环结构单元构筑，形成被其他单元交联的12元环通道。其基本单元呈现由铝、磷、氧原子四面体连接框架构成的双四元环通道结构（图3a,b,c）。通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜成像，研究团队沿[001]和[100]方向清晰观察到了四元环、六元环和八元环通道的投影结构，并与标准结构模型和模拟结果高度一致（图3f,g,h,i）。密度泛函理论计算揭示了水分子的优先吸附位点位于12元环通道的铝原子上，后续水分子依次通过氢键作用吸附，直至孔道填满（图3j）。巨正则蒙特卡洛模拟显示，饱和吸附时水分子主要存在于具有大空腔的直通12元环通道中，其7.1×6.9埃的大开口尺寸保证了快速晶内水扩散（图3k）。
图3 | 多级孔分形框架中铝磷酸盐晶体的拓扑结构及水吸附机理。 h，多级孔分形框架中铝磷酸盐晶体沿[001]方向的扫描透射电镜图像，插图为图。实验独立重复三次。 i，多级孔分形框架中铝磷酸盐晶体沿[100]方向的扫描透射电镜图像，插图为快速傅里叶变换图。实验独立重复三次。 j，通过密度泛函理论计算得到的铝磷酸盐12元环通道中第一(i)、第二(ii)、第四(iii)和第六(iv)个水分子的水吸附情况。 k，通过巨正则蒙特卡洛模拟确定的饱和铝磷酸盐晶体的三维视图。比例尺：2纳米。
动力学性能实现数量级提升
研究团队系统评估了零阶至三阶分形结构吸附剂的吸附-解吸动力学性能（图4a）。随着分形阶数的增加，吸附剂表现出越来越快的动力学响应。三阶结构在5分钟内即可达到50%饱和吸水量，90%以上在35分钟内完成（图4b,c）。这一提升归因于多级结构的协同效应：3D打印的毫米级三阶分形通道通过强制对流使空气高速流入，扩大了气-固界面接触面积，缩短了水分扩散深度，同时通过移除吸附热强化了热传递；随后湿空气在相邻铝磷酸盐晶体间的微米级大孔中快速扩散，增加的孔隙率促进了晶间扩散效率；最终水分子到达铝磷酸盐晶体并在有序的纳米级晶内孔道中扩散（图4d）。相比之下，未经热后处理的原始多孔吸附剂需要超过180分钟才能达到吸附平衡（图4e）。该材料在14%至17%低湿区域呈现阶梯状拐点，表现出优异的S形水吸附等温线，同时具有出色的循环稳定性和不同脱附温度下的适应性。
图4 | 水吸附-解吸动力学的数量级提升。 a，四种不同分形结构吸附体的照片。 b，在25°C、30%相对湿度下零阶、一阶、二阶和三阶多级孔分形框架的水吸附动力学。 c，在80°C下零阶、一阶、二阶和三阶多级孔分形框架的水脱附动力学。 d，三阶多级孔分形框架多级孔结构中多步快速水汽传输示意图。 e，多级孔分形框架与原始多孔吸附剂的水吸附-解吸动力学比较。
规模化空气取水原型装置验证
在实际应用场景中，3D打印吸附体可灵活组装成并联和串联阵列以满足不同淡水需求（图5a）。研究团队将四个单体制成1×4阵列，其吸附-解吸动力学与单体制品相比几乎没有衰减。在实验室控制条件下（25°C、30%相对湿度），该阵列在24小时内完成了16个完整的水捕获-释放循环，产水率高达每公斤吸附剂每日3.91升；在60%相对湿度条件下产水率可达5.20升。为进一步验证实际户外性能，研究团队构建了包含八个吸附体的主动式空气取水系统（图5b）。于2025年5月5日至6日在上海交通大学机械与动力工程学院楼顶进行的连续24小时户外实验中，系统在平均环境相对湿度60.76%的条件下实现了每公斤吸附剂每日3.77升水的产率（图5c）。这一产水率位居当前文献报道的空气取水原型装置前列（图5d）。
图5 | 基于可规模化多级孔分形框架的空气取水原型装置的卓越产水率。 a，从单个3D打印多级孔分形框架单元组装成阵列以满足不同淡水需求的可规模化空气取水装置。 b，用于户外实际场景的空气取水原型装置光学图像。 c，24小时户外演示期间每个水捕获-释放循环的产水率以及环境相对湿度和温度。 d，多级孔分形框架阵列与当前最先进水收集器的产水率比较，验证了其实现快速循环和高产率空气取水的优越动力学性能。比例尺：20厘米。
总结与展望
该研究通过热后处理辅助的3D打印策略成功制备了多级孔铝磷酸盐分形框架，在材料级吸附性能与器件级产水率之间架起了长期缺失的桥梁。从可持续性角度看，这种方法能够实现快速产水，减少单位产水量所需的材料用量和器件占地面积，从而提高了空气取水的实用性。先进的3D打印技术实现了对吸附体多尺度结构的精确控制，推动了从被动材料成型向吸附剂与器件组件一体化设计的转变，也为未来人工智能辅助设计制造3D打印空气取水材料与器件奠定了基础。展望未来，直写成型技术在工业规模的制造通量、打印分辨率和工艺成本方面仍面临实际限制；探索水吸附剂的可回收原料和器件的节能策略将进一步增强该方法的生态友好性。该技术在水资源紧张地区的分布式供水、补充灌溉和生态恢复等可持续应用方面展现出广阔前景，也可作为低碳、安全、可持续的水源与水依赖型系统集成。
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