全球淡水资源日益紧张，基于吸附式大气水收集技术（SAWH）因其不受地域限制、可利用太阳能等低品位能源驱动等优势，成为分散式供水的重要发展方向。然而，传统吸湿盐-聚合物复合材料通常具有随机孔隙结构，难以对多尺度孔结构进行精确调控，严重制约了吸附容量、动力学和循环稳定性等综合性能的提升。

  针对上述挑战，中国海洋大学徐晓峰教授课题组通过墨水化学、数字光处理（DLP）打印技术与拓扑结构的协同设计，开发了基于三周期极小曲面（TPMS）的高性能吸湿矩阵，实现了太阳能驱动的高效大气水收集（图1）。

  该工作以“Fully-Printed TPMS-Architected Hygroscopic Lattices for High-Yield Solar-Powered Atmospheric Water Harvesting”为题发表在《Advanced Functional Materials》上，论文第一作者为材料科学与工程学院2022级博士研究生吴晓春同学，通讯作者为徐晓峰教授、崔鹏飞博士和Zhihang Wang博士。

  墨水中的阳离子单体（DMAEA-Q）与阴离子单体（AMPS）通过静电相互作用形成聚两性电解质，在促进LiCl高效负载的同时有效抑制了盐分迁移和泄漏；预聚物HEAA则通过硼酸酯动态交联和氢键进一步增强材料的结构稳定性（图2）。DLP打印技术的引入，实现了TPMS这类具有连续曲面和高曲率梯度的复杂拓扑结构在吸湿材料中的精确构筑。所制备的TPMS矩阵具有从毫米级周期矩阵、微米级孔隙到纳米级聚合物网络的多尺度分级孔结构，协同增强了比表面积、水汽扩散通道和盐溶液毛细吸收与网络溶胀保留能力（图3）。实验结果表明，四种TPMS结构中Gyroid基吸湿矩阵表现最优，在90% RH条件下24 h水吸附量达3.32 g g^?1，相比传统块状气凝胶（2.04 g g^?1）提升超过60%，且在50次吸脱附循环中性能衰减低于1.2%，兼具高吸附容量与优异循环稳定性（图4）。团队设计了三层交替式太阳能集水装置（图5），采用“一层脱附、两层吸附”的动态运行模式，有效缓解了吸附与脱附之间的动力学不匹配问题。在青岛夏季户外30天连续测试中，该装置白天产水率达2.70 L m^?2，平均日产水量98.9 mL，收集的水质中Na、Mg、K、Ca等离子浓度均远低于世界卫生组织饮用水标准，且Li⁺浓度仅为0.2 ppm，表明吸湿盐无泄漏风险。综合技术经济分析显示，DLP打印单批次可同时制备48个吸湿矩阵，单位生产成本约0.43美元，基于瓶装水价格估算的投资回收期约为2.2年，具备良好的经济可行性和规模化应用潜力（图6）。本研究实现了DLP打印TPMS结构吸湿材料在高效太阳能大气水收集中的系统应用，从墨水配方开发、拓扑结构设计、多循环器件构建到技术经济性评估开展了创新，为下一代可定制、可批量化、经济上可行的吸附式大气水收集技术提供了全新的材料与工艺范式。

图1. DLP打印TPMS基吸湿矩阵及太阳能集水装置示意图与实物照片。

图2.（a）DLP打印设备、墨水流变与交联网络示意图。（b）FTIR表征光聚合动力学。（c）¹H NMR谱图及（d）不同单体比例共聚物的Zeta电位。

图3.（a）墨水光致流变性能及（b）储能模量与损耗模量随UV照射时间的变化。（c）打印精度表征。（d）四种TPMS单元（Gyroid、Diamond、Split-P、Lidinoid）的建模与DLP打印实物。（e）TPMS基矩阵的主要结构参数。（f）Gyroid基矩阵的微观形貌。（g）不同TPMS单元的孔径分布。

图4.（a）LiCl吸湿-解吸三相等温循环相图。不同TPMS结构在90% RH下的（b）水吸附容量及（c）动力学表征；（d）加热条件下的解吸能力及（e）动力学表征。COMSOL模拟不同TPMS矩阵内的（f）水吸附分布及（g）水汽扩散与流速分布。（h）Gyroid基矩阵在1、3、5次吸脱附循环中的含水量变化及（i）累计吸附与解吸量汇总。

图5.（a）太阳能驱动SAWH器件的结构示意、工作原理与实物照片。（b）器件各组件详细结构。（c）白天吸附室温度（T₁）、露点温度（T₂）和冷凝室温度（T₃）的变化曲线。（d）不同温、湿度条件下露点等温线。（e）单日及（f）30天户外连续测试的水吸附、解吸与收集量汇总。（g）本工作与近期报道的SAWH器件日产水量对比。

图6.（a）DLP批量化与多尺寸打印展示图。（b）DIW与DLP技术对比。（c）全球太阳辐射强度分布及（d）不同城市年预估产水量。（e）技术经济评估流程示意图，（f）各制备工序耗时估算及（g）DLP打印吸湿矩阵的成本分析报告。

  该工作是课题组近期关于功能高分子3D打印相关研究的最新进展之一。此外，团队在可打印墨水设计及多材料打印方面也取得了系列进展：在吸附式大气水收集方向，针对传统吸湿材料难打印、结构?性能调控受限等问题，开发了基于颗粒水凝胶的3D打印墨水体系，设计制备出具有多级孔结构的高性能吸湿矩阵（Adv. Funct. Mater. 2026, 36, e14721）；在同轴3D打印方向，设计制备了核?壳结构吸湿矩阵，实现了对大气水分的高效吸附与解吸附（Adv. Funct. Mater. 2026, 36, e74625）；在界面蒸发方向，利用多材料3D打印技术设计制备了能高效蒸发水和收集盐的多梯度结构光热矩阵（Adv. Mater. 2026, 38, e17244）。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.77027