3D打印具有多级孔结构的纤维素纳米纤维气凝胶支架，用于快速太阳能驱动大气水收集

来源： Go Cellulose

由于人口增长、水污染和气候变化等多重因素的影响，淡水短缺已成为最严重的全球危机之一。近年来，利用太阳能的吸附式大气集水（AWH）正在成为缓解水资源短缺的有效策略。由于AWH技术的工作原理是基于水的吸附和解吸，因此这种AWH装置的性能主要由吸附剂决定。吸湿盐是成熟的工业产品，尤其是氯化锂（LiCl），其通常用作干燥剂，并且具有通过水合反应从空气中捕获水蒸气的出色能力。然而，LiCl仍然存在团聚和泄漏的问题，导致吸水率降低，循环稳定性低。

文章概述
不列颠哥伦比亚大学姜锋教授等人开发了一种将纤维素纳米纤丝(CNF)、LiCl、碳纳米管 (CNT) 集成到双层结构中的3D打印支架。通过3D打印和冷冻干燥制备的多尺度多孔底层在吸湿性LiCl的辅助下可以捕获空气中的水蒸气。顶部CNF/CNT层可以将吸收的太阳能转化为热量，蒸发吸收的水。所制备的双层支架表现出较高的吸水率和蒸发率，同时，其循环稳定性得到显著增强。

1.CNF及CNF/LiCl支架的基本性质
通过研究TEMPO氧化CNF的流变性能，探讨其可印刷性。浓度为2.0、2.5和3.0 wt%的CNF油墨均表现出高粘度和类固体行为。流变学测试表明，所有CNF油墨都具有剪切变稀特性，这表明油墨具有良好的印刷适性，并且可以通过细喷嘴作为长丝挤出。此外，在低剪切应力下，储能模量高于损耗模量，证明了其类固体行为。

使用扫描电子显微镜对所得支架的结构进行表征。在截面上可以观察到印刷的网格结构在垂直方向上高度对齐（图1h）。此外，在支架的整个纵向上都发现了大量含有LiCl的微米级孔隙（图1i）。3D打印形成的网格结构和冷冻干燥引入的微米级结构，以及LiCl在支架孔隙中的均匀分布，有望为所制备的支架的AWH性能做出贡献。图片

图1 CNF的形貌、CNF油墨的流变特性以及制备的CNF/LiCl支架的物理性质和形貌表征

2.CNF/LiCl支架的吸水性能
在12小时内，CNF/LiCl-1.5（浸泡1.5M LiCl溶液半小时得到的CNF/LiCl支架）的吸水率为1.59 g g−1，性能优于具有相似LiCl负载和尺寸的CNF/LiCl气凝胶的吸水率。CNF/LiCl-1.5的吸水率大大提高可归因于其结构。CNF/LiCl气凝胶仅具有微米级的孔隙（图S12，支持信息），这种无序的微米级孔隙的高曲折性会减小水蒸气和气凝胶之间的活性面积，导致吸水率低。相比之下，CNF/LiCl-1.5 具有毫米/微米孔隙的组合，其中毫米级的网格结构有助于与周围空气形成更大的活性面积，从而增强吸水能力。图片

图2 CNF/LiCl支架吸水性能表征

3.CNF/LiCl-CNF/CNT双层支架的水释放性能
为了在太阳光照下实现CNF/LiCl支架的水分蒸发，在CNF/LiCl-1.5的表面涂覆了一层CNF/CNT作为太阳能吸收剂，用于光热转换。双层气凝胶（对照样）的表面温度在3 min内迅速升高，并在120 min后达到62.5°C，比双层支架-1.5（55.2°C，图3f）具有更高的表面温度。然而，双层气凝胶的质量变化和蒸发速率都远低于双层支架-1.5（图3g，h）。双层支架-1.5的水释放性能的提高可以通过毫米级网格结构提供的蒸发界面来解释。当双层支架暴露在阳光下时，太阳光不仅被CNF/CNT顶层吸收，也被垂直网架结构的墙体吸收;因此，水可以从双层支架-1.5的顶面和内网格结构中蒸发（图S24a，支持信息）。相比之下，双层气凝胶吸收的水只能从致密的CNF/CNT顶层逸出（图S24b，支持信息），导致蒸发效率低。因此，毫米级网格结构对提高双层支架-1.5的水分蒸发性能有显著贡献。图片

图3 双层支架的水释放性能表征

4.AWH实际性能测试
吸水前后的双层支架-1.5总重量分别为3.66和8.36 g（表S6），其中吸水量计算值为4.70g，对应1.28 g g−1吸水率，与图3c所示的数据相当。之后，将容器密封，并于上午10点至下午5点在户外阳光下进行放水实验。开始时，吸收的水蒸发得很快，透明的塑料盖变得起雾（图4b）。随着水的不断蒸发，水雾凝结在容器的内壁上（图4b中的插图）。最后，释放2.88 g液态水，收集2.32 g液态水（图4c），分别对应61.3%的蒸发效率和49.4%的集水率。收集的 2.32 g水代表0.63 g g−1 day−1产水量。图片


图4 AWH实际应用测试

结论
本文通过3D打印和冷冻干燥结合LiCl浸渍，开发了一种具有多级孔结构的3D打印CNF支架，用于太阳能驱动的AWH。微米级的孔隙有效地限制了LiCl，而垂直毫米级的网格结构通过增加与周围空气的暴露活性面积，大大提高了3D打印结构的吸水率和蒸发率。借助毫米/微米的多尺度孔隙，3D打印支架显示出比传统冻干气凝胶高1.6倍的吸水率和2.4倍的水释放率。在室外太阳光照下，该3D打印支架产水量为0.63 g g−1 day−1。

创新点
通过3D打印和冷冻干燥结合LiCl浸渍的方法，开发了一种具有多级孔结构的3D打印CNF支架，探究了其在AWH中的应用。

启发
3D打印多孔支架的功能：
1)微米级的孔隙将 LiCl 颗粒限制在支架中，最大限度地减少泄漏和结块;
2)垂直毫米级的网架结构为吸水提供了更多的活性区域，从而增强了支架的吸水率;
3)毫米大小的孔隙也缩短了水的扩散路径，并允许水在支架和空气之间快速转移。不同尺度的孔发挥了不同的作用，它们的协同作用提高了材料的目标性能。

文章来源
https://doi.org/10.1002/adma.202306653