瞿金平院士领衔！「90后博导」，华科大副所长吴婷，受白蚁启发，研究水蒸气回收，发一篇Nature Water！

全球淡水资源日益稀缺，已成为地缘政治与经济稳定的重要威胁。工业用水占全球淡水取水量的20%，其中约70%用于设备冷却，尤其在智能制造、化工和能源等行业。冷却塔在运行过程中会排放大量近饱和水蒸气，例如在南半球干燥季节，单座冷却塔每小时可损失约1000立方米的水蒸气，相当于25万人口城市的日用水需求。尽管这些水蒸气的回收在技术上并非不可行，但长期以来被忽视，造成了显著的经济与环境负担。传统的大气水分收集器依赖主动冷凝机制，但冷凝过程释放的潜热会导致表面过热，降低冷凝效率。辐射冷却技术虽被引入以缓解过热问题，但在高湿环境下，红外波段的Mie散射效应会阻碍热辐射的发射。此外，冷凝液滴的合并会引发从滴状冷凝向膜状冷凝的转变，进一步降低热交换效率。因此，开发一种兼具高效光子热辐射与动态液滴脱附能力的水蒸气回收系统，是当前工业节水领域的关键挑战。

针对以上挑战，华中科技大学吴婷副教授，瞿金平院士团队等人受白蚁丘热湿调节机制的启发，设计并构建了一种四层级仿生水蒸气回收系统。

第一层级采用异质结构微球涂层，实现毛细驱动的高效成核，成核速率达33.6 g m⁻² min⁻¹，并通过梯度折射率结构实现1.7°C的辐射过冷。

第二层级引入倒金字塔复合材料作为机械保护层，扩大热交换面积。

第三层级建立以辐射冷却为主的气-液热交换机制，净冷却功率达133.7 W m⁻²。

第四层级采用仿生流道，抑制蒸气扩散，形成“冷凝-辐射冷却-再冷凝”的自维持循环。

整个系统无需外部能源输入，回收率达41.6 kg m⁻² day⁻¹，水分保留率为83%。对于一个300 MW的电厂，该系统每年可节约2.7×10⁸吨水，满足220万户家庭的年度生活用水需求。

相关论文以“A bioinspired hierarchical architecture for the high-yield recovery of industrial water vapour”为题，发表在Nature Water上。

吴婷，2012年本科毕业于湖南理工学院机械工程学院，2015年硕士毕业于吉林大学，2018年博士毕业于华南理工大学，2018-2021年期间于华南理工大学和香港城市大学开展博士后研究工作，2021年10月入职华中科技大学。现任华中科技大学化学与化工学院副教授，博士生导师，化学工程研究所副所长。

图1 白蚁丘的多尺度水分保持机制及其启发下的四层级水蒸气回收系统

图1展示了白蚁丘的多尺度水分保持机制及其启发下的四层级水蒸气回收系统。图1a显示了工业冷却塔排放水蒸气的浪费现状，以及将其回收用于农业、城市绿化等场景的潜在价值。图1b展示了白蚁丘从微观到宏观的多级结构：微观尺度上，土壤颗粒堆积形成的亚微米孔隙网络结合疏水性氮磷化合物，促进毛细冷凝并抑制再蒸发；介观尺度上，闭合孔隙储水，通孔形成微流控网络动态调控水分分布；宏观尺度上，交错的风道结构延长水蒸气滞留时间，促进亚露点冷凝。

图1c展示了回收单元的制造流程：首先通过拉伸流变挤出机成型PEBN倒金字塔结构，再通过水热合成与双亲改性制备FAUTO微球，最后喷涂FEVE/FAUTO涂层并高温固化。图1d系统阐述了四层级协同机制：第一层级利用微球梯度折射率实现辐射冷却；第二层级通过倒金字塔扩大热交换面积；第三层级建立以辐射冷却为主导的热交换通道；第四层级利用仿生流道延长蒸气滞留时间，形成自维持的冷凝-辐射冷却-再冷凝循环。该系统在机制和性能上均超越了白蚁丘的自然设计。

图2 FAUTO微球的合成过程与结构表征

图2展示了FAUTO微球的合成过程与结构表征。图2a示意了UTO微球在油-水界面上的自组装过程：首先在界面形成随机排列的短纳米棒，随后在Cl⁻诱导下发生(001)晶面的定向聚集，形成径向密度梯度结构，最终生成具有海胆状突起和梯度折射率的微球。图2b和2c的FSEM和EDX图像显示，微球直径约为2 μm，由大量30 nm的纳米棒辐射排列而成，表面均匀分布N和F元素，分别来自APTES和PFTS，赋予材料亲水与疏水双重特性。图2d的FTEM图像显示微球从中心到边缘逐渐透明，证实了梯度折射率的存在。

图2e的高分辨FTEM显示出0.326 nm的晶格条纹，对应TiO₂的(110)晶面，SAED图案表明其为单晶结构。图2f的AFM形貌显示表面粗糙度达16.6 nm，图2g的附着力测试显示纳米棒尖端附着力为396 nN，而间隙区仅为41.7 nN，表明形态诱导的润湿性异质性。图2h和2i的PIF-IR光谱分别检测到PFTS的C-F键（1210 cm⁻¹）和APTES的C-N键（1350 cm⁻¹），且空间强度分布不均，进一步证实了化学润湿性梯度的存在。这些结果表明，FAUTO微球同时实现了结构润湿性与化学润湿性的协同控制。

图3 水蒸气回收单元的结构与热物理性能

图3展示了水蒸气回收单元的结构与热物理性能。图3a和3b的SEM图像显示，PEBN表面成功复制了300×300 μm的倒金字塔阵列，FEVE/FAUTO涂层喷涂后与基材形成了互锁结构，增强了界面结合强度。图3c的高倍SEM确认FAUTO微球在固化过程中保持完整海胆状形貌，晶体结构未受损。图3d的FT-IR光谱中，FAUTO样品同时出现了C-F（1210 cm⁻¹）和C-N（1335 cm⁻¹）特征峰，证实了双功能化成功；FUTO样品则在3500 cm⁻¹处出现-OH峰的消失，表明PFTS取代了羟基，赋予超疏水性。图3e的XPS C 1s谱图分解出C-N（286.2 eV）和C-F（291.6 eV）键，进一步确认了APTES与PFTS的共接枝。

图3f的BET分析显示，FAUTO的比表面积达150 m² g⁻¹，远高于UTO和FUTO，归因于APTES引入的-NH活性位点与PFTS抑制聚集效应共同促进多孔网络形成。图3g的热重分析显示所有PEBN样品的热分解温度均在350°C以上，满足工业应用要求。图3h的热导率测试表明，当BN含量为40 vol%时，热导率达3.35 W m⁻¹ K⁻¹，继续增加至50 vol%时因填料团聚而下降至2.93 W m⁻¹ K⁻¹。图3i的成核速率测试表明，30 vol% FAUTO配方的成核速率最高，达33.6 g m⁻² min⁻¹，而50 vol%样品在64分钟时成核速率出现平台（15.8 g m⁻² min⁻¹），表明发生了从滴状向膜状冷凝的转变。

图4 表面润湿性与微纳尺度冷凝机制

图4研究了表面润湿性与微纳尺度冷凝机制。图4a显示，随着FAUTO含量增加，接触角逐渐增大，滑动角逐渐减小，当FAUTO含量达30 vol%时，接触角为150.2°，滑动角为10.6°，达到超疏水状态。图4b的表面能计算表明，疏水组分增加使表面能从65.4 mN m⁻¹（0%）降至17.8 mN m⁻¹（100%），其中30 vol%样品表面能为38.1 mN m⁻¹，处于有利于冷凝成核与液滴脱附的适中范围。图4c统计了100个液滴从成核到脱附的时间分布，FAUTO样品主要集中在10–30分钟，峰值在5–10分钟，而FUTO和PEBN的峰值分别在30–40分钟和50–60分钟，表明FAUTO兼具快速成核与高效传输能力。

图4d的高速液滴撞击实验显示，FAUTO表面液滴虽未立即脱落，但保持Cassie态并收缩为球形，表现出动态稳定的超疏水特性。图4e的光学显微镜观察表明，FAUTO表面在120分钟内保持滴状冷凝，而PEBN在44分钟、FUTO在96分钟即转变为膜状冷凝。图4f的ESEM图像显示，FAUTO在580 Pa即可触发成核，低于PEBN（595 Pa）和FUTO（615 Pa），证实亲水位点有效降低了成核能垒。图4g总结了协同机制：倒金字塔结构增强气-固相互作用，亲水C-N基团延长分子接触时间，疏水C-F链促进表面快速更新，三者协同大幅提升冷凝效率。

图5 基于结构设计的光学优化策略

图5展示了基于结构设计的光学优化策略。图5a的散射效率模拟表明，在FEVE/FAUTO涂层中掺入多分散SiO₂颗粒，可显著提高0.2–2.5 μm波段的光散射效率。图5b的厚度-发射率模型显示，涂层厚度低于临界值时，辐射穿透涂层被基板吸收，有效发射率降低；增加厚度可延长光程，通过多尺度散射增强吸收，提高发射率。

图5c的角度分辨反射率实验表明，涂层在0.25–2.5 μm范围内的半球反射率对入射角不敏感，归因于海胆状微纳结构抑制了平面Fresnel反射，径向纳米棒实现了各向同性Mie散射。图5d和5e显示，当SiO₂掺杂浓度为10 vol%时，太阳反射率（0.3–2.5 μm）达98.2%，中红外发射率（2.5–25 μm）为97.8%，大气窗口发射率（8–13 μm）高达99.2%；超过该阈值后，SiO₂团聚破坏散射相干性，性能下降。

图5f的净冷却功率计算显示，在AM1.5条件下，白天净冷却功率为133.7 W m⁻²，夜间为49.4 W m⁻²。图5g总结了光学优化机制：FAUTO微球的径向梯度折射率结构将红外辐射能量集中向法向发射；FAUTO与SiO₂形成多尺度散射中心；Si-O声子极化子共振匹配大气窗口，Ti-O振动模式补偿发射谷底，同步增强反射与发射性能。此外，倒金字塔结构作为物理屏障保护纳米结构免受机械磨损，BN网络快速传导潜热至表面辐射冷却，形成高效的热管理闭环。

图6 水蒸气回收系统的整体性能与规模化应用潜力

图6展示了水蒸气回收系统的整体性能与规模化应用潜力。图6a为构建的循环水系统：自来水经加热至37°C模拟工业冷却塔回水温度，通过离心泵送至顶部旋转喷雾系统，形成均匀液滴场，部分蒸发为温度30.0–36.5°C、相对湿度90–95%、风速2.5 m s⁻¹的蒸气相，成为回收目标。

图6b的CFD流道优化显示，III型流道具有最均匀的速度分布和最大的低速区，有利于延长蒸气-表面接触时间，提升冷凝效率。图6c阐明了自维持循环机制：材料表面的化学异质性降低成核能垒，梯度折射率结构通过大气窗口持续辐射潜热至外太空，使表面温度始终低于露点，驱动“冷凝-辐射冷却-再冷凝”循环自发稳定运行。

图6d显示，当回收单元数量n=4时，内部温度比n=0和n=1分别仅升高2.3°C和1.5°C，表明系统具备良好的热管理能力。图6e显示，系统在17小时内维持表面温度低于露点1.7°C，确保持续冷凝与液滴脱附。图6f表明，当倾角θ=45°时，液滴可在51–308秒内完全脱附，实现表面更新与蒸气供应的最佳平衡。图6g显示，当θ=45°、n=4时，24小时水分保留率达83%，比n=0提高了56%。图6h显示，白天回收效率为11.0 kg m⁻²，夜间为26.2 kg m⁻²；随着相对湿度从52%升至95%，夜间回收效率从0.4增至2.4 kg m⁻² h⁻¹。图6i显示，系统在长期户外运行中稳定实现33.8–41.6 kg m⁻² day⁻¹的回收效率与67–83%的保留率。

图6j与现有技术对比表明，该系统在37°C下实现5.4 kg h⁻¹的回收效率，无需任何制冷设备，能耗优势显著。图6k和6l的规模化估算显示，在300 MW电厂冷却塔上安装该系统，每年可节约2.5–4.1×10⁸吨工业用水，相当于2.2百万户家庭年用水量或385,714英亩稻田灌溉需求，而若采用主动冷凝则需消耗1.7–2.8×10¹¹ kWh电力。

该项研究成功开发了一种受白蚁丘启发的四层级水蒸气回收系统，集成了异质结构FAUTO微球、倒金字塔PEBN阵列和仿生流道，实现了高效的水蒸气捕获与循环利用。该系统的成核速率达33.6 g m⁻² min⁻¹，辐射过冷达1.7°C，净冷却功率为133.7 W m⁻²，能够在无外部能源输入的情况下，实现41.6 kg m⁻² day⁻¹的回收效率和83%的水分保留率。在300 MW电厂中应用，每年可回收2.7×10⁸吨水，满足220万户家庭或385,714英亩稻田的用水需求。该研究将仿生微纳结构与机械设计有机结合，在水蒸气回收与规模化制造方面展现出显著优势。

Zhang, C., Xie, H., Guo, C. et al. A bioinspired hierarchical architecture for the high-yield recovery of industrial water vapour. Nat Water (2026).