深圳大学王奔博士、周学昌教授/湖北大学郭志光教授/兰州化物所刘维民院士《Nano Today》：仿生集水材料与系统的研究进展

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水是万物之源，地球上的万物生存都离不开水。地球表面绝大多数的面积都由水资源覆盖，因而孕育出各种各样的生命。然而，这些水资源中的，淡水总量约占地球总水量的2.8%。这么有限的淡水资源，以液态，气态和固态的形式存在于陆地上的冰川、地下水、地表水和水蒸汽中，这其中可供利用的部分非常稀少。而且，这些淡水资源，特别是冰川、地下水和地表水在陆地上的分布极不均衡，导致地球表面仍然存在着很多干旱地区，使得人类难以生存。如何解决偏远地区和旱区的生活用水问题具有非常广泛和普适性的价值。空气中蕴含有大量未被利用的水资源，即使在偏远地区和干旱的沙漠中也含有大量的水蒸气，将空气中的水蒸气就地收集成水，不仅能节约了大量的劳力和能源成本，也能在地域上具有广泛的普适性。另外，水蒸气不含各种杂志和细菌，经过收集之后几乎无需任何净化和灭菌工艺，即可达到可供饮用的标准。再者，在机场周边区域，空气中的雾气采集和去除还能降低雾气对于飞机起降的影响。

自然界中的很多生命体在极端干旱的环境下仍然能够生存和繁衍。为了解决旱区的淡水问题，研究人员师法自然，从自然界生物中学习空气中集水的本领。在自然界中，已经发现有多种动植物和昆虫具有集水本领。仙人掌具有极强的耐旱性，是因为仙人掌表面上成簇分布的亲水性圆锥棘结构可以捕获空气中的水汽，并且将逐渐合并变大的液滴定向地移动至芒刺簇地根部被仙人掌所吸收。沙漠甲虫可以在沙漠中生存和繁衍，是因为沙漠甲虫的背部具有超亲水和超疏水区域相间排布的凸面结构，凸面上的亲水区域可以捕获空气中的水汽，随着水汽的增大和相邻亲水区小水滴的合并过程，最终水滴会大到其重力足以克服昆虫背部凸面上亲水区域对水滴的附着力，使得水滴沿着凸面滚落被昆虫取用。蜘蛛在空中织网而身居其中，也是靠着蜘蛛网丝上规律排列的纺锤节结构来捕获空气中的雾气，捕获的雾气在通过不断地长大和融合，最终提供蜘蛛生存所需的水分。

图：自然界与人工制备的一些典型集水材料和系统

近日，深圳大学王奔博士、周学昌教授，湖北大学郭志光教授以及兰州化物所刘维民院士联合在Nano Today上发表了题为”Recent advances in atmosphere water harvesting: Design principle, materials, devices, and applications”的综述，在这篇综述中，基于对结构和表面化学成分的合理设计，总结了集水材料开发的最新进展。介绍了这些集水过程的机制和影响因素。基于开发的材料，介绍了集水装置和系统，包括非耗能集水系统、太阳能供能集水系统、其他外部耗能集水系统。作者们也讨论了用于农业应用的新兴空气集水灌溉系统。最后，作者们讨论了集水材料/装置目前还存在的问题、挑战和未来的研究方向。

(图片来源：nano today官网)

实际环境和材料设计都会影响收集的水。对于集水材料/表面的设计，可以通过增加材料的水分捕获能力、促进定向输送、抑制集水蒸发、提高多孔骨架的吸附能力等措施来提高集水效率, 同时也需要考虑降低解吸温度, 增加太阳能热吸附剂的光谱吸收,大规模生产能力、生物毒性和成本。

要将集水材料转化为真正可用的系统，可能需要将许多必要的附件与材料集成在一起。对于表面化学梯度和表面结构驱动的集水材料，该装置可以简单地由集水材料、排水系统和储水箱组成。还可以集成外部能量收集装置以促进水收集过程。对于以太阳能为动力的吸附-解吸技术，该装置通常是一个密封或半密封的系统，包括水冷凝器、散热器和蓄水池。

尽管研究人员在各种集水材料和装置的开发方面做出了相当大的努力，但在实际的日常生活和生产中，特别是在相对较低的极端环境中，实现高效、自给自足的供水仍面临诸多挑战。首先，大部分集水材料是在高湿度环境下进行的，而大部分缺水干旱地区位于低湿度环境中。目前已经研究出少数材料/系统能够在相对湿度低于 30% 的情况下从空气中收集水分，但水分的产率相对较低，并且收集周期较长。特别是对于以太阳能为动力的集水装置，集水受到昼夜周期的严重限制。大多数开发的系统每天只能执行一个集水循环，通过这种方法获得的水产量无法满足不断增长的缺水需求。其次，集水性能高度依赖于水分捕获、水冷凝和运输。然而，由于水冷凝和输送的要求相互矛盾，仍然缺乏参数优化的集水面设计指南。第三，当材料/表面捕获大气水时，表面上的水同样面临蒸发问题。如何防止集水过程中的蒸发损失需要进一步改进。第四，随着该领域的研究重点从材料向器件转变，研究成果的产业化可能涉及许多实际问题，例如技术可扩展性、易于运行、成本、耐用性、环境适应性等等。

该领域未来的方向可能仍侧重于将具有优异收集率的新型材料合理整合到实用的集水装置中，以促进不同场景的实际应用。除了影响集水性能的材料和表面结构外，温度、海拔、风、湿度等外在因素也应越来越受到关注，以提高集水系统和设备的环境适应性。在极度干旱和寒冷的地区，相对湿度非常低。未来的集水研究当然应该在低湿度条件下投入更多精力，尽管这将更具挑战性。不仅偏远和干旱地区的人迫切需要淡水，植物和家禽也需要持续供水。未来的集水系统也可能为农业应用而开发，这样家禽的喂水和植物的灌溉能够以智能和自给自足的方式完成。此外，集水系统还显示出其通过吸附和解吸调节室内和舱内湿度的能力，使其在飞行器和潜艇等密闭空间中展现出巨大的应用潜力。

该文章第一作者为深圳大学助理教授王奔，共同通讯作者为深圳大学周学昌教授，湖北大学郭志光教授，兰州化物所刘维民院士。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1748013221002085

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