来源：水源星途
在实际空气取水技术应用过程中，一方面，粉末状吸附剂在器件填充过程中容易发生堆积，导致水蒸气传输路径增长，吸附-解吸循环速度下降；另一方面，传统结构优化通常只针对单一尺度孔道进行调控，难以同时解决空气侧传质、颗粒间扩散以及晶体内部扩散等多级传输阻力。
因此，如何突破材料尺度与器件尺度之间的传质瓶颈，实现快速吸附、快速解吸以及高产水运行，成为下一代空气取水技术发展的重要方向。
上海交通大学研究团队在《Nature Sustainability》发表研究，提出了一种基于热后处理辅助3D打印的多尺度有序分级结构设计策略，构筑了多尺度铝磷酸盐分形框架（multiscale aluminophosphate fractal framework with hierarchical porous structures, MAFF-HPS）。该方法通过3D打印构建毫米-厘米尺度分形通道，并结合热处理过程原位形成微米级宏孔和纳米级微孔，实现空气传输、晶间扩散以及晶内吸附过程的协同优化。该材料的吸附-解吸动力学相比传统吸附剂提升约10倍，并基于该材料构建了可扩展空气取水装置，实现3.77–5.20 L·kg⁻¹·d⁻¹的产水性能。
亮点
3D打印分级孔结构
研究团队提出了一种热后处理辅助3D打印策略，将铝磷酸盐吸附剂加工为具有多尺度有序孔道的整体结构。通过设计不同等级的分形通道，使材料同时具备宏观空气流动通道和微观水分扩散路径，有效降低空气传质和内部扩散阻力。相比传统随机堆积吸附剂，该结构能够显著提升水分输运效率。
多尺度传质协同提
该材料通过厘米级、毫米级、微米级以及纳米级结构协同调控，实现水分从空气进入吸附位点的全过程快速传输。其中，高阶分形结构降低扩散曲折度，使四阶结构的有效扩散系数达到零阶结构的28.4倍，并显著缩短吸附平衡时间。
实现快速循环取水
基于MAFF-HPS材料，研究团队进一步构建模块化空气取水装置。在30%RH和60%RH环境下，系统分别实现3.91 L·kg⁻¹·d⁻¹和5.20 L·kg⁻¹·d⁻¹产水性能，并在户外环境中达到3.77 L·kg⁻¹·d⁻¹产水能力，展示了多尺度结构吸附剂在实际空气取水系统中的应用潜力。
研究内容
多尺度孔道设计降低传质阻力
传统吸附式空气取水系统中，水分需要经历多个连续传输过程，包括空气侧传输、材料表面扩散、晶间扩散以及晶内扩散。其中，吸附剂颗粒之间以及晶体内部的传质阻力通常成为限制循环速度的主要因素。针对这一问题，研究团队受到树枝分形结构启发，设计了具有不同等级分形通道的吸附剂整体结构。通过数值模拟发现，随着分形等级提高，水分能够更加快速地进入材料内部，扩散路径缩短，传质效率提升。研究结果显示，四阶分形结构相比传统零阶结构，其有效扩散系数提高28.4倍；同时，高阶结构能够明显减少吸附达到平衡所需时间，其中三阶和四阶结构的吸附时间均可缩短至1 h以内。
原文图1：多尺度分形结构设计与水分传输机制
热处理辅助3D打印构筑稳定框架
为了实现复杂分形结构制造，研究团队采用直接墨水书写（Direct Ink Writing, DIW）3D打印技术，将铝磷酸盐粉末加工成具有设计结构的整体吸附模块。然而，传统3D打印过程中加入的黏结剂容易堵塞吸附剂孔道，降低水分传输能力。因此，研究团队进一步设计了两步热后处理过程：首先，在350℃处理过程中，黏结剂分解，在铝磷酸盐晶体之间形成微米级宏孔；随后升温至500℃，去除结构导向剂（SDA），释放晶体内部纳米级微孔。经过热处理后，MAFF-HPS形成由厘米级宏观通道、毫米级分形通道、微米级晶间孔以及纳米级晶内孔组成的多尺度分级结构。相比传统结构，其孔隙率由33%提升至61%，同时保持了铝磷酸盐晶体内部微孔结构。
热处理辅助3D打印构筑稳定框架
为了实现复杂分形结构制造，研究团队采用直接墨水书写（Direct Ink Writing, DIW）3D打印技术，将铝磷酸盐粉末加工成具有设计结构的整体吸附模块。然而，传统3D打印过程中加入的黏结剂容易堵塞吸附剂孔道，降低水分传输能力。因此，研究团队进一步设计了两步热后处理过程：首先，在350℃处理过程中，黏结剂分解，在铝磷酸盐晶体之间形成微米级宏孔；随后升温至500℃，去除结构导向剂（SDA），释放晶体内部纳米级微孔。经过热处理后，MAFF-HPS形成由厘米级宏观通道、毫米级分形通道、微米级晶间孔以及纳米级晶内孔组成的多尺度分级结构。相比传统结构，其孔隙率由33%提升至61%，同时保持了铝磷酸盐晶体内部微孔结构。
原文图2：MAFF-HPS材料制备过程及多尺度孔结构表征
晶体结构保障高效吸附
除了宏观结构优化外，研究团队进一步研究了铝磷酸盐晶体内部的吸附机制。通过高分辨STEM表征和理论计算发现，MAFF-HPS中的铝磷酸盐晶体保持完整微孔结构，其中主要存在直径约7 Å的12元环通道，为水分子快速进入提供了低曲折度传输路径。密度泛函理论（DFT）计算表明，水分子首先优先吸附于12元环通道中的Al位点，随后通过氢键作用逐步形成水分子网络，实现连续填充过程。蒙特卡洛模拟进一步证明，大量水分子能够快速进入具有较低扩散阻力的晶体通道内部。
晶体结构保障高效吸附
除了宏观结构优化外，研究团队进一步研究了铝磷酸盐晶体内部的吸附机制。通过高分辨STEM表征和理论计算发现，MAFF-HPS中的铝磷酸盐晶体保持完整微孔结构，其中主要存在直径约7 Å的12元环通道，为水分子快速进入提供了低曲折度传输路径。密度泛函理论（DFT）计算表明，水分子首先优先吸附于12元环通道中的Al位点，随后通过氢键作用逐步形成水分子网络，实现连续填充过程。蒙特卡洛模拟进一步证明，大量水分子能够快速进入具有较低扩散阻力的晶体通道内部。
原文图3：铝磷酸盐晶体结构及水分吸附机制
吸附解吸动力学大幅提升
研究团队进一步比较了不同分形等级吸附剂的吸附和解吸性能。结果显示，随着分形等级增加，材料水分传输速度持续提高，其中三阶结构MAFF-HPS-3表现最佳。在25℃、30%RH条件下，MAFF-HPS能够快速完成吸附过程；在80℃解吸条件下，也表现出更快的水分释放能力。相比未经过热后处理的传统结构（OPS），MAFF-HPS能够在60 min内达到吸附平衡，而OPS需要超过180 min。这一结果说明，通过跨尺度结构设计，可以同时降低表面传质阻力、晶间扩散阻力以及晶内扩散阻力，实现吸附材料动力学性能的大幅提升。
原文图4：MAFF-HPS快速吸附-解吸性能
模块化装置实现实际空气取水
为了验证材料在实际应用中的潜力，研究团队进一步将多个MAFF-HPS单元进行模块化组装，构建可扩展空气取水装置。
实验中，单个MAFF-HPS模块尺寸为25 × 25 × 8 mm，通过串联和并联方式可以根据需求扩大装置规模。在25℃、30%RH条件下，1 × 4阵列装置在24 h内完成16次吸附-解吸循环，实现最高3.91 L·kg⁻¹·d⁻¹产水性能；在25℃、60%RH条件下，产水性能进一步提高至5.20 L·kg⁻¹·d⁻¹。
此外，研究团队在上海交通大学机械工程学院楼顶开展24 h户外测试。在平均60.76%RH环境下，该系统实现3.77 L·kg⁻¹·d⁻¹产水性能，证明了该多尺度结构吸附剂在真实环境中的稳定运行能力。
模块化装置实现实际空气取水
为了验证材料在实际应用中的潜力，研究团队进一步将多个MAFF-HPS单元进行模块化组装，构建可扩展空气取水装置。
实验中，单个MAFF-HPS模块尺寸为25 × 25 × 8 mm，通过串联和并联方式可以根据需求扩大装置规模。在25℃、30%RH条件下，1 × 4阵列装置在24 h内完成16次吸附-解吸循环，实现最高3.91 L·kg⁻¹·d⁻¹产水性能；在25℃、60%RH条件下，产水性能进一步提高至5.20 L·kg⁻¹·d⁻¹。
此外，研究团队在上海交通大学机械工程学院楼顶开展24 h户外测试。在平均60.76%RH环境下，该系统实现3.77 L·kg⁻¹·d⁻¹产水性能，证明了该多尺度结构吸附剂在真实环境中的稳定运行能力。
原文图5：MAFF-HPS空气取水系统及户外测试
研究结论
空气取水技术的发展正在从单纯提升吸附材料的水捕获能力，逐渐转向材料结构设计、传质过程优化以及器件尺度集成的系统工程。传统吸附剂虽然能够依靠丰富的微孔结构实现较高吸水量，但当材料应用于实际装置时，空气侧传输、颗粒间扩散以及晶体内部扩散等多级传质阻力会显著限制循环速率。因此，如何通过结构工程降低水分传输阻力，是推动空气取水技术从材料性能走向实际应用的重要方向。该研究提出了一种热后处理辅助3D打印策略，通过构筑多尺度有序分级孔道框架，将厘米级分形空气通道、毫米级传输路径、微米级晶间孔以及纳米级吸附孔进行协同设计，实现了空气输运、材料内部扩散和水分吸附过程的匹配优化。所制备的MAFF-HPS材料使吸附-解吸动力学相比传统吸附结构提升约10倍，并在30%RH和60%RH环境下分别实现3.91 L·kg⁻¹·d⁻¹和5.20 L·kg⁻¹·d⁻¹的产水性能。
通过3D打印等先进制造技术实现吸附材料结构化，有望解决传统粉末吸附剂难以兼顾高容量和快速循环的问题，为下一代高效率、可规模化空气取水系统提供新的技术路线。
论文信息
论文题目：3D-printed multiscale-ordered hierarchical frameworks for rapid atmospheric water harvesting
期刊：Nature Sustainability
发表年份：2026
DOI：10.1038/s41893-026-01834-7
主要作者：Jing Wang, Yifan Zhang, Yichen Li, Xiaoyu Li, Junjie Wei, Yuxin Liu, Wenqin Wang, Tingxian Li, Ruzhu Wang 等
通讯作者：
王如竹（Ruzhu Wang）
李廷贤（Tingxian Li）
王文琴（Wenqin Wang）
通讯地址：
上海交通大学机械与动力工程学院（School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University）
中国科学院宁波材料技术与工程研究所（Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences）
中国科学院大学（University of Chinese Academy of Sciences）
研究结论
空气取水技术的发展正在从单纯提升吸附材料的水捕获能力，逐渐转向材料结构设计、传质过程优化以及器件尺度集成的系统工程。传统吸附剂虽然能够依靠丰富的微孔结构实现较高吸水量，但当材料应用于实际装置时，空气侧传输、颗粒间扩散以及晶体内部扩散等多级传质阻力会显著限制循环速率。因此，如何通过结构工程降低水分传输阻力，是推动空气取水技术从材料性能走向实际应用的重要方向。该研究提出了一种热后处理辅助3D打印策略，通过构筑多尺度有序分级孔道框架，将厘米级分形空气通道、毫米级传输路径、微米级晶间孔以及纳米级吸附孔进行协同设计，实现了空气输运、材料内部扩散和水分吸附过程的匹配优化。所制备的MAFF-HPS材料使吸附-解吸动力学相比传统吸附结构提升约10倍，并在30%RH和60%RH环境下分别实现3.91 L·kg⁻¹·d⁻¹和5.20 L·kg⁻¹·d⁻¹的产水性能。
通过3D打印等先进制造技术实现吸附材料结构化，有望解决传统粉末吸附剂难以兼顾高容量和快速循环的问题，为下一代高效率、可规模化空气取水系统提供新的技术路线。
论文信息
论文题目：3D-printed multiscale-ordered hierarchical frameworks for rapid atmospheric water harvesting
期刊：Nature Sustainability
发表年份：2026
DOI：10.1038/s41893-026-01834-7
主要作者：Jing Wang, Yifan Zhang, Yichen Li, Xiaoyu Li, Junjie Wei, Yuxin Liu, Wenqin Wang, Tingxian Li, Ruzhu Wang 等
通讯作者：
王如竹（Ruzhu Wang）
李廷贤（Tingxian Li）
王文琴（Wenqin Wang）
通讯地址：
上海交通大学机械与动力工程学院（School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University）
中国科学院宁波材料技术与工程研究所（Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences）
中国科学院大学（University of Chinese Academy of Sciences）
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