吸湿性盐基复合吸收剂是利用太阳能驱动进行大气集水（AWH）的理想选择之一，传统的设计策略是将吸湿性盐负载到多孔基质中，但表面吸湿位点的失活及结构的高曲折度导致吸收剂的水蒸汽吸收及释放速率较慢，尽管定向冷冻干燥法可以通过构建垂直排列的孔结构提高吸收剂的水蒸汽吸收及释放速率，但对垂直孔结构的精准调控仍存在挑战。

近日，不列颠哥伦比亚大学姜锋教授、华南理工大学陈港教授、东北林业大学陈文帅教授合作，利用3D打印结合冷冻干燥技术，开发了一种兼具高度垂直对齐的毫米级孔结构及微米级孔结构的纳米纤维素/氯化锂复合吸收剂，其分级的孔结构设计为防止氯化锂的泄露及加速水蒸汽的吸收及释放提供了一种新的策略。该研究成果以“3D Printed Cellulose Nanofiber Aerogel Scaffold with Hierarchical Porous Structures for Fast Solar‐driven Atmospheric Water Harvesting”为题发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》，不列颠哥伦比亚大学博士后朱朋辉为论文的第一作者。

图1. 3D打印双层支架吸收剂的结构和工作原理。

通过3D打印及冷冻干燥技术，构建了双层结构的纳米纤维素/氯化锂-纳米纤维素/碳纳米管多孔吸收剂。由3D打印和冷冻干燥衍生的多尺度孔结构能有效增加氯化锂暴露于空气中的吸湿活性位点，实现底层纳米纤维素/氯化锂结构对水蒸气的快速吸收并储存于亲水性纳米纤维素网络中。同时，顶层的纳米纤维素/碳纳米管能够将吸收的太阳能转化为热能以快速蒸发底层结构吸收的水（如图1所示）。

图2. 纳米纤维素的形态、纳米纤维素3D打印墨水的流变性能以及所制备纳米纤维素/氯化锂支架的物理性能和形态表征。

3D打印和冷冻干燥法分别在纳米纤维素/氯化锂支架中引入垂直对齐的毫米级网格结构和微米级孔结构（如图2所示）。

图3. 纳米纤维素/氯化锂支架的水吸收性能表征。

与常规冷冻干燥法制备的纳米纤维素/氯化锂气凝胶吸收剂相比，3D打印支架吸收剂表现出更高的水吸收量与水吸收速率，表明垂直的毫米级网格结构不仅能够为吸水提供更多的活性位点，同时也能够有效缩短水分在结构中的扩散路径。此外，支架从空气中吸收的水可有效储存至纳米纤维素形成的网络中（如图3所示）。

图4. 纳米纤维素/氯化锂-纳米纤维素/碳纳米管双层支架的水释放性能表征。

得益于纳米纤维素/碳纳米管层的光热转化性能，双层支架比单层纳米纤维素/氯化锂支架表现出更高的水蒸发速率；此外，与常规冷冻干燥法制备的双层气凝胶相比，3D打印双层支架同样具有更高的水蒸发速率，表明垂直的毫米级网格结构也有助于加快水分的释放（如图4所示）。

图5. 纳米纤维素/氯化锂-纳米纤维素/碳纳米管双层支架阵列实际大气集水性能展示。

户外实验表明，3D打印双层支架能够成功地从空气中进行集水。同时，由于3D打印技术的灵活性，也可设计出不同形状的支架结构以及包含大量支架的阵列结构，展示了3D打印纤维素基支架在大气集水领域的潜在应用前景（如图5所示）。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202306653

通讯作者简介：

姜锋，加拿大不列颠哥伦比亚大学木材科学系副教授，加拿大可持续功能性生物质材料研究主席 (Canada Research Chair)。在国际上获得多项奖项，其中包括，2021年美国化学年会纤维素与可再生材料分会KINGFA 青年学者奖， 2022年Paper360° TOP 50 POWER LIST， 2023年UBC林学院杰出科研奖，以及2023年美国纸浆与造纸工业技术协会纳米技术分会中年学者奖。目前担任Carbohydrate Polymers（影响因子：11.2）期刊副主编，以及多个期刊杂志编委。主要从事生物质材料高值化转化，研究方向涉及纳米纤维素的分离与改性，超分子自组装，气凝胶，水凝胶，增材制造，传感器，水处理，热调控管理，以及电子器件制备。迄今发表论文100余篇，专利4项，总引用超过10000余次。其论文发表于高影响因子期刊包括Chemical Reviews, Progress in Materials Sciences, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Energy, Chemical Engineering Journal, Materials Horizons, Carbohydrate Polymers，等。其科研成果被260多个个加拿大以及国际媒体报道，其中包括加拿大国家电视台 (CTV)，加拿大广播电台 (CBC) 等。

陈文帅，东北林业大学教授、博士生导师。黑龙江省青联常委、黑龙江省“新青年奖”十佳人物、黑龙江省青年五四奖章。国家级青年人才、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目获得者。入选中国科协青年人才托举工程、国家林业和草原局林草科技创新青年拔尖人才、龙江学者青年学者。主要从事木材物理学研究，在林木纤丝解聚、重组与高效利用方面做出一系列创新性研究工作。在Nature Communications、Advanced Materials、Chemical Society Reviews、Matter等期刊发表研究论文90余篇。入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”榜单。获授权国家发明专利10余项。在科学出版社出版学术著作2部、出版英文书章1部。获2023 Energies Award、梁希林业科学技术奖自然科学二等奖、中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖、中国林业青年科技奖、黑龙江省青年科技奖、黑龙江省高校教师教学创新大赛二等奖、霍英东教育基金会高等院校青年教师基金等奖励。现担任中国青年科技工作者协会会员、中国化学会纤维素专业委员会委员、中国林学会木材科学分会委员、东北林业大学学术委员会委员。担任Science Bulletin和《科学通报》特邀编委。

陈港，博士，博士生导师，制浆造纸工程国家重点实验室科研骨干，现任华南理工大学特种纸研究团队首席教授，特种纸技术创新平台负责人，国家级教学团队负责人，中国造纸学会理事，中国造纸学会涂布加工纸专业委员会副主任，中国造纸学会纳米纤维素及材料专业委员会委员，广东省特种纸与纸基功能材料工程技术研究中心主任，广东省造纸学会常务副理事长，广东造纸行业协会副会长，担任《中国造纸》、《中国造纸学报》编委以及多家行业龙头企业技术顾问。主要研究领域是造纸新技术与特种纸，包括特种纸新技术、纸基功能材料、纸张涂布技术与理论、多种纤维混合成型机理、纳米纤维素制备及应用、造纸化学品的优化及应用、纸张防伪技术、功能材料在造纸过程的应用等。先后主持和参加国家重点研发计划、工信部重点行业绿色制造系统集成项目、国家自然科学基金、国家“973”计划、省自然科学基金、省高新技术成果孵化项目、粤港重点领域重大突破招标项目等。近年在AM、AFM、CEJ、CM、JMCA、ACS AMI、Langmuir等国际知名刊物发表研究论文多篇，编写专著2本，拥有36项授权发明专利。