文献解读丨面向空气‑水‑能源耦合体系：孔工程 3D 打印材料用于吸附集水、界面蒸发与辐射制冷

我们总在寻找更好的吸附盐、更好的光热材料，但困住性能的，往往不是材料组分，而是多孔材料内部那些弯弯曲曲的微观公路。

——《Nexus三人行》

【今天解读能源‑水‑空气交叉领域发表在《Advanced Materials》综述文章《Toward Pore‑Engineered 3D‑Printed Materials for Sorption Water Harvesting, Interfacial Evaporation, and Radiative Cooling》，本文链接见文末阅读原文，本文作者斯洛文尼亚卢布尔雅那大学 Dejan J. Trajkovski 团队联合上海交通大学王如竹教授团队。】

注：文献解读融合编者观点，非单纯翻译，欢迎指正。如涉侵权请联系删除。

全球淡水资源紧缺，推动了一系列低能耗被动式水‑热技术快速发展，代表性方向包括吸附式大气集水 SAWH、太阳能界面蒸发 ISE、辐射制冷 RC（含辐射结露集水 RAWH），三者同属于空气‑水‑能源（Air‑Water‑Energy Nexus）交叉研究领域，面向分布式供水、被动降温等现实需求，不需要大规模基础设施，在缺水偏远地区具备巨大应用潜力。

过去大量综述习惯于按照应用场景分开阐述，集水谈吸附剂、蒸发谈光热材料、制冷谈光子薄膜。传统制备手段（冷冻浇筑、溶胶‑凝胶、相分离）制备多孔材料，孔隙结构属于随机生成，虽然可以获得高比表面积，但孔道迂曲度高、连通性不可控。很多时候材料本身化学性能很好，但内部 “微观输运通道” 成为性能瓶颈：水蒸气扩散阻力大、盐析堵塞、传热不均匀。

图 1 空气‑水‑能源耦合体系，热质光传递机制、孔架构与各类 3D 打印工艺的对应关系 （原文 Figure1：DIW、ECP、VPP、SLS、FDM 等增材制造手段，如何对应不同孔隙特征，服务于吸附集水、界面蒸发、辐射制冷三大应用）

本篇综述最大创新点：跳出传统 “材料本位”，以孔架构为统一核心变量，以增材制造（3D 打印）为实现手段，打通 SAWH‑ISE‑RC 三大技术。核心认知：很多时候性能上限不是受限于材料化学，而是多孔介质内部孔道架构；3D 打印不只是用来制备样品，更是做 “孔架构规划”，可以人为设计大通道、介孔、微孔的层级分布，再结合后处理引入纳米孔隙。

增材制造工艺：各类 3D 打印技术的能力边界

综述系统梳理 5 类主流适用于水‑能源多孔材料的增材制造工艺：直写 DIW、低温挤出打印 ECP、光固化 VPP（SLA/DLP）、选择性激光烧结 SLS、熔融沉积 FDM。重点区分：打印成型主要实现毫米‑微米级宏观孔道；纳米、介孔绝大多数依靠后处理（冻干、烧结、造孔剂去除）获得，并非打印机直接打印出来。

工艺

核心特点

适合场景

主要短板

DIW 直写（应用最广）

墨水挤出，材料兼容性极强，陶瓷、水凝胶、COF、碳基均可；可人为设计毫米级大通道，后处理得到微纳孔隙

✅ SAWH 吸附集水、ISE 界面蒸发，部分 RC 辐射制冷

打印速率偏低；纳米孔依赖后处理；受喷嘴尺寸限制分辨率上限

ECP 低温挤出打印（DIW 子类）

基板低温冷冻，原位冷冻升华造孔；低收缩，孔连通性高、迂曲度低

✅ SAWH 吸附集水，需要高互联分级孔

墨水以水基 / 凝胶体系为主，需要低温设备，材料选择受限

VPP 光固化 SLA/DLP

微米级高精度，适合光学功能微纳结构

✅ RC 辐射制冷，实现光谱选择性孔隙

原料以光固化树脂为主；陶瓷材料需要模板后处理，生坯脆性大

SLS 选择性激光烧结

粉末床，无需支撑，力学性能好，可制备金属 / 陶瓷复杂构件

✅ 需要承载力学负载的器件、金属基蒸发器

表面粗糙，成本高；孔隙主要依靠造孔剂实现

FDM 熔融沉积

设备成本低，操作简单

⚠️仅适合原型验证，不适合高精度功能多孔材料

本征微孔匮乏，孔隙依靠填充率实现，精度差

图 2 3D 打印用于辐射制冷、吸附集水、界面蒸发的发展时间线 （原文 Figure2，梳理 2020‑2025 代表性里程碑，展示每一类应用从材料探索走向架构设计的发展历程）

图 3 五大 3D 打印工艺原理示意图：DIW、ECP、VPP、FDM、SLS

三大应用场景，差异化的孔隙设计需求

同样是多孔材料，SAWH、ISE、RC 三者对于孔径、连通性、层级结构需求完全不同，不存在一套孔隙方案通吃全部场景。

3.1 SAWH 吸附式大气集水

孔需求：分级多孔。毫米‑百微米大孔作为水蒸气高速通道，降低扩散阻力；微孔 / 介孔提供吸附位点储存水分；高连通性、低迂曲度。

传统随机多孔材料痛点：MOF、水凝胶吸附容量很高，但孔道扭曲，吸附时水蒸气扩散慢；解吸再生阶段传热差，内部升温不均，循环周期长。

3D 打印解决思路：DIW 打印仿生垂直通道、类维管束血管分级骨架；骨架内部复合吸湿盐（LiCl、CaCl₂）；BN 等高导热填料调控固相导热。

典型代表性结构：

• 超弹性纤维素纳米纤维 CNF 单块吸附剂，循环稳定性优异；

• 颗粒水凝胶墨水打印，实现高比表面积，抑制盐泄漏；

• 一体化双层结构：下层吸湿吸附，上层 CNT 光热层，单片构件同时完成吸附捕获 + 太阳能光热解吸再生

  
  

图 7 SAWH 吸附集水工作原理：物理吸附 / 化学吸附，吸附‑解吸循环，单循环 / 间歇 / 连续三种运行模式。

3.2 ISE 太阳能界面蒸发

孔需求：贯通垂直大孔提供毛细输水通道；介孔维持薄液膜；纳米结构负责光热吸收；同时具备通畅蒸汽逃逸通道，缓解盐堆积。

传统痛点：局部干涸、盐结晶堵塞界面、热流失。

3D 打印架构优势：可设计烟囱式通道、蜂窝胞元通道，定向疏导盐水，让盐定向在边缘析出，保护蒸发界面。 重点提醒：部分文献报道极高表观蒸发速率，很多来自环境自然对流的贡献；实验必须区分净蒸发、暗蒸发、盐度、风速，不同文献的实验条件不一致，数据不能直接横向对比。

图 13 界面太阳能蒸发原理示意图，毛细泵送、光吸收、蒸汽逃逸

3.3 RC 辐射制冷与 RAWH 辐射集水

孔需求：优先满足光学性能。孔径匹配太阳光波长实现米氏散射，实现高太阳反射；8‑13 μm 大气窗口高红外发射；同时不能引入过高固体导热。若要夜间结露集水，额外需要液滴疏导结构。流体输运要求弱，光谱性能是第一位。

3D 打印价值：精准调控 1‑6 μm 尺度孔隙，调控米氏散射；可以制备 4D 响应结构，温度刺激切换开闭，动态调控红外发射率，实现制冷‑加热模式切换。

图 10 辐射制冷物理机制，米氏散射、声子‑极化共振，分子振动模式

领域现存关键短板

综述批判性指出本领域五大共性缺口：

1. 光学表征严重缺失

大量研究只测孔隙率孔径，缺少全光谱反射、透射、中红外发射率的定量测试；只报道蒸发速率、降温温度，不把性能和光谱特征做关联；热质传递研究多，光‑热‑质多场耦合表征稀缺。

2. 缺少统一标准化测试规范，文献数据难以横向对比

- ISE 界面蒸发：风速、暗蒸发扣除、盐浓度各家条件五花八门。

- SAWH 大气集水：湿度、循环模式（单循环 / 间歇 / 连续）没有统一标准。

- RC 辐射制冷：环境寄生热、对流条件对降温幅度影响巨大，单纯 “降温多少℃” 不能作为材料本征指标。

3. 工艺‑孔结构‑性能之间的定量映射断裂

喷嘴直径、打印路径、冷冻、烧结参数如何转化为迂曲度、孔径分布、连通性，目前大多是定性描述，缺少普适的工程设计公式；当前大量工作属于个案演示，缺少通用可复用的设计准则。

4. 后处理带来的巨大不确定性

绝大多数纳米 / 介孔来自冻干、烧结、造孔剂去除，打印 CAD 模型不等于最终实际孔结构；收缩、孔坍塌经常被忽略。

5. 规模化放大难题

实验室小样品性能亮眼，但打印速度慢；冻干、高温烧结等后处理成本高，向器件级放大的研究不足。

图 6 孔隙尺度热‑质‑光耦合机制；不同工艺孔隙率‑有效导热系数统计

未来发展方向：从试错实验走向逆向架构设计

1. AI 多尺度建模与逆向架构设计

采用物理知情神经网络 PINN、图神经网络，把孔隙网络抽象成节点‑边图模型，预测渗透率、传热传质；生成式 AI 逆向输出最优 TPMS、仿生孔架构，替代传统试错式 CAD 调参；原子尺度 DFT 解析纳米受限环境下水分子行为。

2. 范式转变：3D 打印定位为「传递通路工程平台」

综述核心思想：先确定热 / 质 / 光传递需要什么孔道架构，再去选择材料，而不是拿到材料，被动接受随机生成的孔洞。

• - SAWH 优先 DIW/ECP，追求低迂曲度分级互联孔；

• - RC 优先 VPP/DIW，匹配光学散射所需特征孔径；

• - ISE 优先 DIW/SLS，垂直贯通大孔，兼顾毛细输水与排盐。

图 16 各类增材制造技术对应的传递功能，未来发展方向总览图

3. 多功能一体化集成

单块打印构件，实现集水‑蒸发‑制冷复合功能，而不是简单把多块材料拼接在一起。

4. 建立标准化表征体系

不能仅仅给出孔隙率、平均孔径；必须同时报告孔径分布、孔连通性、迂曲度、光谱数据、有效扩散系数，以及器件在真实工况下的性能，而不是实验室小样品理想条件数据。

5. 工艺‑孔隙‑性能数据库建设

建立不同打印参数、后处理条件与最终孔隙、输出性能的对应数据库，推动从案例研究走向工程化设计。

总结与展望

6.1 综述核心创新思想

过往综述大多以材料类别或者单一应用来组织内容，而本文建立**以孔架构为中心、以增材制造为实现手段的统一框架，横跨吸附集水、界面蒸发、辐射制冷三大空气‑水‑能源 nexus 方向。

明确：很多时候限制性能的不是材料化学本身，而是多孔介质内部的输运网络。3D 打印赋予我们 “主动设计孔隙网络” 的能力，而不是依靠合成过程随机生成孔洞。

同时明确现实边界：现阶段绝大多数研究仍然停留在实验室概念验证；微米‑纳米孔隙很多依靠后处理，不是打印直接得到；打印只是 “架构组织者”，而不是直接生成全尺度孔隙。

6.2 现存核心挑战

1）多物理场耦合表征不足，尤其是光谱‑热‑质耦合定量测试；

2）缺少行业统一的评价标准，文献之间难以横向对比；

3）打印‑后处理带来的收缩、孔坍塌，孔隙‑性能定量关系缺失；

4）放大制备成本、打印速率，面向实际户外工况的长期稳定性数据匮乏。

6.3 未来展望

未来的研究应当完成逻辑反转：传递需求优先，架构设计其次，材料选择最后。结合多物理场仿真、AI 逆向设计，发展分级、功能分区的一体化 3D 打印构件。建立标准化表征指标库，把迂曲度、连通性、光谱特性纳入常规报告。推动从实验室小样品走向器件原型，面向干旱、高盐等真实环境，实现无源产水与被动制冷的实际落地，助力水‑能源‑空气耦合领域的可持续发展。

表 2 应用‑目标孔隙特征‑材料‑推荐打印工艺‑定量性能指标对照表