近年來，快速除濕在工業加工、氣候控制系統以及室內空氣質量管理等諸多領域中已成為一項關鍵需求。高濕的室內環境，尤其對于封閉空間，容易引發霉菌滋生、材料劣化以及人體不適等問題。在眾多除濕技術中，采用吸濕材料從空氣中捕獲水分的吸附式除濕技術逐漸成為一種頗具前景的解決方案。該技術具有響應速度快、處理能力靈活、可適應不同濕度條件等優勢，但其除濕性能高度依賴于所用吸濕材料的吸附量和動力學等特性。因此，開發兼具快速吸放濕能力且結構穩定性強、易規模化合成的吸濕材料，有望滿足高效大規模除濕場景應用需求。

日前，上海交通大學王如竹教授領銜的ITEWA創新團隊從自然界中獲取靈感，通過模仿黑云杉等植物的垂直排列管胞結構，用直接墨水書寫3D打印技術‘復刻’其內部輸水通道，開發了一種仿生多孔吸濕材料（CASN-Li）。該材料同時具有宏觀有序傳質通道和微米級孔隙結構，從而協同加速水分內部傳輸，吸濕速率達到1.5 g g?1h?1（90%相對濕度下），且在60%相對濕度（RH）下的吸濕速率是其實心塊狀吸濕材料的2.1倍。1塊尺寸為20×20×3 mm3的材料，能在25 min內將體積是其6750倍的空間內部RH從90%降至60%。3D打印技術能夠實現CASN-Li材料的結構定制化和批量加工，海藻酸鈉和親水性氣相二氧化硅等低成本組分使得該材料規模化生產成本可控。

目前，該研究工作以題為“Biomimetic Porous Hygroscopic Monolith with Vertically Aligned Channels by 3D Printing for Rapid Dehumidification and Regeneration”的論文發表在《Advanced Functional Materials》上。上海交通大學制冷與低溫工程研究所博士研究生陳芷薈為論文第一作者，王如竹教授為通訊作者。

【3D打印多孔吸濕材料的制備】

研究團隊選擇海藻酸鈉（SA）作為3D打印漿料，其具有生物可降解、低成本和在二價陽離子存在下的快速凝膠化等優點，易成形為球狀、纖維或復雜三維結構，具備良好的打印適應性。同時引入親水性氣相二氧化硅（HF-SiO2）納米顆粒改善漿料的流變學特性，滿足剪切變薄和自支撐的打印需求。此外向漿料中加入氮化硼（BN）增強材料導熱性，加速吸附劑脫附再生。3D打印成型的材料在經過冷凍定型和化學交聯固型后，置于氯化鋰溶液中負載吸濕因子，以增強材料在寬濕度范圍下的吸濕能力（圖1）。

圖1. CASN-Li的制備過程

【3D打印多孔吸濕材料的表征】

3D打印過程賦予了吸濕材料CASN-Li均勻的宏觀孔隙結構（圖2A），孔徑約為0.6×0.6 mm2。放大后的掃描電鏡圖像進一步顯示該多孔基質具有豐富的微米級孔隙，為吸濕鹽的負載與鹽溶液的存儲提供了空間。此外，豐富的孔隙結構和納米材料的引入也賦予了吸濕材料輕質的特點（圖2B）。研究團隊進一步探究了CASN-Li在干燥和吸濕狀態下的抗壓性能，測試結果表明，即使在含水狀態下該材料也能承受高達10 MPa的壓應力（圖2E），展現出可靠的機械強度和結構完整性。

圖2. CASN-Li的表征研究

【多孔吸濕材料的吸附-脫附特性】

合成的多孔吸濕材料CASN-Li展現出良好的吸附動力學性能。3D 打印過程賦予了其宏觀垂直排列通道用于快速水分傳輸，縮短了水分擴散路徑。與實心塊狀吸附劑相比，3D 打印多孔結構具有更大的比表面積，能夠暴露更多的活性位點以捕獲水分。同時材料表面的粗糙結構進一步增加了水分子與吸附劑的接觸面積，從而加速吸附過程的進行。此外，CASN-Li展現出強有力的毛細作用（圖3B），能夠及時將吸附過程形成的鹽溶液吸入并儲存在孔隙中，有效防止鹽溶液泄漏，從而實現高效、可重復的吸附-脫附循環。

在RHs為30%、60%和90%的條件下，CASN-Li吸附2小時的吸附量分別為0.42、0.76和1.18 g g-1（圖3F，實線），分別達到對應平衡吸附量的88.4、89.4和64.1%。通過對比微量材料（圖3F，虛線）與放大合成材料（圖3F，實線）的動態吸附曲線，本研究提出的吸附劑結構設計可以有效緩解大規模應用中因放大效應導致的吸附動力學惡化。得益于優異的多孔結構，與現有其他方法制備的氯化鋰基復合吸濕材料相比，CASN-Li展現了突出的吸附動力學特性（圖3I），具有實現快速除濕目標的應用潛力。

圖3. CASN-Li的結構示意圖和吸附性能

為充分發揮CASN-Li快速的傳質特性，研究團隊采用熱風解吸方式實現吸附劑快速脫附再生。在81.7°C（11 V）的送風溫度下加熱15 min，材料快速升溫并接近平衡，平衡溫度約為78.4 °C（圖4C），且在加熱20 min時其脫附量達到初始飽和吸附量的81.8%（圖4D），驗證了CASN-Li的熱質協同強化設計。

依托數字化3D打印技術，CASN-Li的結構可以根據需求定制。優異的機械性能使其易于取放，適用于移動或便攜式場景。此外，該吸附劑還展現出良好的經濟可行性和成本優勢。海藻酸鈉是一種可再生且價格低廉的生物高分子材料，親水性氣相二氧化硅廣泛可得、成本低廉，雖然氮化硼價格相對稍高，但僅需少量。CASN-Li充分發揮了各組分的協同優勢，使其具備低成本大規模制備的潛力，適用于可擴展且具有經濟可持續性的實際應用場景（圖4F）。

圖4. CASN-Li的脫附性能與綜合評估

【除濕再生性能測試與預測】

研究團隊設計了一個透明的亞克力裝置（250×180×180 mm3）來驗證CASN-Li實現快速除濕再生的有效性（圖5A），該裝置體積是單塊CASN-Li體積的6750倍。測試結果顯示，裝置內部相對濕度在25 min內迅速從90%降低到60%。具體而言，在25 min內，相對濕度分別從60、70、80和90%下降到39.1、45.4、53.6和59.9%（圖5B）。通過將吸附劑的用量增加到兩塊，可以將裝置內部RH從90%降低到60%所需的時間減少一半。研究團隊進一步將CASN-Li的除濕性能與現有報道的吸附劑在裝置層面的除濕性能進行了比較（詳見支撐材料），也表明CASN-Li具有高效的濕度調節能力。接著研究團隊對裝置內部的除濕過程開展了仿真模擬（圖5E），探究了基于吸附劑用量和裝置內部初始相對濕度，除濕30 min后裝置內部相對濕度的變化，以便選擇合適的吸附劑用量達到理想的氣候條件（圖5F）。

圖5. CASN-Li的除濕再生性能測試與預測

【文章總結】

在全球范圍內，室內除濕不僅對健康與舒適至關重要，還對于適應氣候變化和支持可持續發展具有重要意義。研究團隊提出了一種具有仿生多孔結構的吸濕材料CASN-Li，用于快速濕度調節。通過直接墨水書寫3D打印技術與化學交聯相結合，賦予該材料毫米級宏觀有序垂直孔道和微米級多孔結構。尤其是借助3D打印技術構建的宏觀孔道，大幅增加了材料暴露于環境濕分的活性位點，有效提升了CASN-Li的吸脫附性能。該研究工作也驗證了將3D打印與吸附式大氣水利用技術結合在實現高效濕度調控方面的廣闊應用前景。

團隊簡介

上海交通大學ITEWA交叉學科創新團隊（Innovative Team for Energy, Water & Air）創建于2018年，該團隊在王如竹教授的領銜下致力于解決能源、水、空氣領域的前沿基礎性科學問題和關鍵技術，旨在通過學科交叉實現材料-器件-系統層面的整體解決方案，推動相關領域取得突破性進展。近年來在Science,Chemical Society Reviews, Nature Reviews Materials, Nature Water, Joule, Energy & Environmental Science, Advanced Materials，Nature Communications等高水平期刊上發表了系列論文。

https://doi.org/10.1002/adfm.202508512

來源：高分子科學前沿

聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！