文献快讯：Sci. Adv. 可穿戴大气水收集纺织品实现7.45 L/kg/day产水，户外验证达标WHO标准

【成果掠影 & 研究背景】

大气水收集（AWH）作为一种分散式、可持续的水获取策略，可以灵活部署于不同气候环境，为解决全球淡水资源短缺提供了重要路径。近年来，高性能吸附材料（如金属有机框架、盐基复合材料和水凝胶）在微观尺度上实现了快速吸附动力学和高吸水量，但在规模化应用中普遍面临传质阻力增大、扩散路径延长导致的动力学急剧衰减问题——百克至千克级的吸附剂堆叠几乎不可避免地牺牲了单位质量产水效率。如何将材料固有的优异吸附性能保留到宏观尺度的实用器件中，是AWH技术走向日常应用的关键瓶颈。

针对这一挑战，来自德克萨斯大学奥斯汀分校、四川大学等机构的研究团队开发了一种基于分级开放多孔纤维（HOP-Fiber）的可穿戴大气水收集系统。他们利用羟丙基纤维素在碱性纺丝液中的线圈-球体构象转变，在连续湿法纺丝过程中原位构建了具有开放孔表面和多级内孔结构的纤维网络。该纤维在30% RH下吸水量达1.50 g/g，在60% RH下达2.68 g/g，且达到饱和容量80%的时间在30% RH下仅需19分钟，动力学性能处于领先水平。当编织成纺织品后，其规模化吸附动力学相较传统吸附剂（粉末、块体、薄膜）仍保持3-10倍的显著优势。面向实际应用，团队将纺织物模块集成于可穿戴原型装置中，在20-80% RH范围内实现了3.76-7.45 L/kg/day的产水率和410-894 mL的实际日收集量，并在西昌（干旱区）、奥斯汀（半干旱区）和成都（湿润区）的户外测试中验证了稳定的产水性能和符合WHO标准的产水水质。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

• 利用HPC分子构象转变实现原位多级孔结构构筑：在含有LiOH/尿素的碱性纺丝液中，HPC由亲水线圈态转变为疏水球体态，形成相分离微区。溶剂去除后，在纤维表面和内部同时留下大量开放大孔和分级孔网络，这种方法无需后处理或模板剂，直接在一维连续纤维中实现从表到里的多尺度孔隙调控。

• 建立吉布斯自由能驱动的吸附-传输热力学框架：将纤维的吸湿过程分解为表面液化、大孔吸水、孔间输运三个阶段，分别建立自由能变化模型。理论分析表明开放孔降低表面液化自由能垒，大孔进一步促进液滴快速形成；Young-Laplace压差驱动水从大孔向小孔自发迁移，整体传质阻力显著低于致密皮层-纳米孔芯结构的传统纤维。

• 规模化后吸附动力学的保持能力突出：400 cm2大面积的编织纺织品在30% RH下1小时吸水量为1.04 g/g，保持1 cm2小样性能的约75%；24层堆叠纺织品1小时的吸水性能仍达0.96 g/g。相比之下，MOF、水凝胶、盐复合吸附剂在同等放大条件下动力学衰减严重，本研究织物的规模化性能保持系数处于领先水平。

• 工业级连续纺丝与编织验证可扩展性：采用20孔喷丝板以509 m/hour的产率实现HOP-Fiber-4的连续生产，规模化纤维的吸水性能与实验室小样基本一致（约1.4 g/g at 30% RH）。纺织品可经受卷曲、折叠、扭曲等多种形变而不影响集水功能，具备实际穿戴所需的机械耐久性。

• 可穿戴原型实现不同气候区的户外验证：将纺织物模块集成于服装（前后共4个捕水单元），配合折叠式冷凝收集装置。在西昌（20-35% RH）日累计产水410 mL、3.76 L/kg/day；在成者（60-80% RH）产水7.45 L/kg/day。产水Li+残留极低，符合WHO饮用水标准，在已报道的便携式AWH系统比较中居领先位置。

• 36次/日的快速循环能力和循环稳定性：在30% RH条件下，单次吸附-脱附循环仅需20分钟（吸附+解吸），每日可完成36个完整循环，且多循环中吸附容量保持稳定，为实现高频率、全天候运行提供了动力学基础。

  
  

  图1. AWH纤维和纺织品的设计。(A) 示意图展示现有AWH材料面临的挑战、分级开放多孔纤维的设计理念以及可穿戴应用前景。传统AWH系统依赖庞大的吸附剂组装体严重降低吸附动力学，典型的皮芯结构纤维也阻碍径向传输，限制水捕集效率。而HOP-Fiber/纺织品设计具备开放孔表面和分级多孔截面，分别促进蒸气液化和径向水输运。(B) 展示HOP-Fiber连续化生产和大面积AWH纺织品制备的光学照片。(C) 在类似条件（30-40% RH）下，不同质量的最新AWH吸附剂与HOP-Fiber和编织纺织品吸水速率的比较。(D) 代表性AWH系统实际产水量与HOP-Fiber纺织品在不同RH下的对比。

  
  

  图2. 单根纤维的AWH性能。(A) HPC在水和强碱性纺丝液中由线圈态向球体态转变的示意图。(B) 不同HPC和LiOH浓度下HPC的流体力学半径，显示临界相转变边界。(C) 吸附过程示意：表面液化、大孔吸水、大孔向小孔输运。(D) 30% RH、25°C条件下HOP-Fiber的水分捕集过程光学显微镜图像。(E) HOP-Fiber内部水传输模拟，揭示水优先进入大孔再向小孔迁移的路径。(F) 不同HPC/纤维素比例的U-Fiber和HOP-Fiber在30% RH、25°C下的吸水量。(G) HOP-Fiber-4在不同RH下的动态水蒸气吸附-脱附过程。

  
  

  图3. 可扩展纺丝、编织和织物AWH性能。(A) AWH编织纺织品的示意图和SEM图像。(B) 不同面积纺织品在30% RH、25°C下1小时的吸水量。(C) 不同层数纺织品在30% RH、25°C下1小时的吸水量。(D) HOP-Fiber-4工业化规模制备的照片。(E) 实验室规模和大规模生产的HOP-Fiber-4在30% RH下吸水量对比。(F) AWH纺织品在卷曲、折叠、扭曲等形变下的机械耐久性展示。(G) 不同吸附剂在AWH实际应用核心需求指标上的定性比较。

  
  

  图4. 纤维服装的户外AWH测试。(A) 用户穿着AWH服装进行日常活动的照片。(B) 便携式水收集系统组件照片。(C) 西昌户外测试中水凝结和最终收集的洁净水照片。(D) 2024年3月26-27日西昌温度与RH数据及逐次循环的吸水、释水和收集水量、产水能力。(E) AWH服装在不同地点（西昌、奥斯汀、成者）的日产水能力。(F) 基于年均RH估算的全球AWH纤维纺织材料日产水量分布。

【总结 & 原文链接】

本研究报道了一种基于分级开放多孔纤维的可穿戴大气水收集纺织品，通过羟丙基纤维素在碱性纺丝液中的分子构象转变，在连续湿法纺丝过程中实现了开放孔表面和多级内孔结构的一步构筑。吉布斯自由能分析证实该结构分别从热力学和动力学上促进了表面液化和径向水传输，使纤维在30% RH下吸水量达1.50 g/g且19分钟即可达到80%饱和容量。编织成纺织品后，在400 cm2和24层堆叠的放大条件下吸附动力学远优于传统吸附剂（3-10倍提升），且可通过509 m/hour的工业纺丝速率连续生产。集成可穿戴原型后，在20-80% RH范围内实现3.76-7.45 L/kg/day的日产水率和410-894 mL的实际收集量，户外测试跨越中国西昌（干旱）、美国奥斯汀（半干旱）和成都（湿润）三种气候，产水水质符合WHO标准。未来通过耦合太阳能或低品位热再生、人体能量收集和嵌入式传感，有望实现运动中的全天候连续产水。该研究将大气水收集从块体模块范式拓展至服装和遮蔽物层面，为离网社区、灾后应急和干旱地区提供了分布式、低成本的水安全解决方案。

原文链接: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed9949

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