近日，上海交通大学制冷与低温工程研究所ITEWA团队李廷贤及其合作者在国际期刊Nature Sustainability上发表了题为“3D-printed multiscale-ordered hierarchical frameworks for rapid atmospheric water harvesting”的研究论文。该论文开展了吸附式空气取水“理论-材料-装置”的多层级的基础理论和关键技术研究，提出了热后处理辅助3D打印方法构筑多尺度分级有序多孔传质结构的新策略，为破解实际应用中吸附剂随机组装导致吸附与解吸速率慢的瓶颈难题提供了全新解决方案。上海交通大学制冷与低温工程研究所博士生白钊远、许嘉兴、王鹏飞、溥渊未来技术学院贺筱雅为论文共同第一作者，上海交通大学制冷与低温工程研究所李廷贤、中国科学院工程热物理研究所许闽、上海交通大学溥渊未来技术学院谢宇俊为通讯作者，ITEWA团队负责人王如竹教授给予了精心指导。
全球有超过四十亿人面临严峻的水资源短缺难题，获得安全可靠的饮用水已成为全球面临的共性挑战。地球大气中储存的水量高达12.9万亿吨，约为全球年用水量的3.4倍，因此从无处不在的大气中提取水分是解决干旱地区水资源短缺问题的潜在途径。吸附式空气取水（SAWH）技术因其不受时空限制、气候适应性强、可利用低品位热能驱动等优势，近年来获得广泛关注。国内外学者已开发出MOFs、COFs、水凝胶、复合吸附剂等多种高性能吸附材料。然而，这些材料在粉末或小颗粒尺度下虽表现出优异的吸附性能，然而在实际应用中装填到空气取水装置时，由于吸附剂颗粒随机无序堆积导致水分子扩散路径曲折、传质阻力剧增，吸附-脱附动力学性能严重恶化，成为制约规模化空气取水发展的共性瓶颈。因此，亟需从吸附剂堆积结构的微观到宏观多尺度设计入手，实现吸附剂从材料到装置的有序组装。
图1. 水蒸气多尺度传输过程及吸附材料结构设计新思路
针对上述挑战，研究团队提出了基于热后处理辅助3D打印构筑多尺度分级有序多孔传质结构强化空气取水动力学的学术思路。在理论层面，揭示了吸附剂堆积结构的孔隙率与曲折因子等关键参数对水分子多步传输阻力的影响规律，提出了构建仿生分形结构以提高传质动力学的新方法，并阐明了分形结构演变与水蒸气传输动力学的构效关系（图1）。在材料层面，首创了“热后处理辅助3D打印”的制备方法：首先利用墨水直写式3D打印技术制备了含可热分解粘结剂和模板剂的磷酸铝吸附剂单元，实现了毫米至厘米级宏观分形通道的精确构建；再通过两步阶梯控温热后处理，原位去除粘结剂和模板剂，成功在吸附剂单元中依次“由内向外”生成热诱导的纳米级晶内微孔、以及微米级晶间大孔。所得到的多尺度分级多孔磷酸铝分形骨架（MAFF-HPS）实现了从纳米、微米、毫米至宏观尺度的分级有序多孔结构（图2a），同时解决了传统3D打印中孔堵塞、孔道坍塌变形等问题，MAFF-HPS的吸附和脱附动力学分别较传统无序堆积吸附剂提升了12倍和14倍。在装置层面，提出了模块化组装策略，将MAFF-HPS单元通过串/并联方式构建可扩展吸附床，并设计了带有回热循环的快速循环空气取水原型机，在一天内完成了多达24次空气取水捕获-释放循环，在户外条件下单日取水量高达3.77 L水·kg吸附剂-1·day-1（图2b）。该工作阐明了多尺度分级结构设计对于空气取水的重要价值，为实现规模化高产量空气取水开辟了新路径。
图2. 多尺度分级多孔磷酸铝吸附材料的制备及规模化空气取水性能
本研究工作获得国家自然科学基金杰青项目和重大项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41893-026-01834-7