7.19 g/g!盐模板结晶诱导的聚合物凝胶,能从空气中狂吸水并顺便发电

为解决传统吸附式大气水收集材料吸湿容量低、吸附/脱附动力学慢及循环稳定性差的问题，研究人员提出了一种盐模板结晶诱导的定向连通大孔聚合物凝胶制备新策略。该方法利用过冷醋酸钠三水合物溶液的触控结晶行为，在结晶过程中自发富集单体、交联剂及光热材料（TiN纳米颗粒），经紫外聚合和水洗去除模板后，形成具有定向、互连宏观孔道的聚合物网络。进一步负载高效吸湿盐LiCl，获得STC/TiN-gel@LiCl复合凝胶。

一、研究背景与挑战

淡水资源短缺是全球性问题，大气中蕴含的水分（约1.3万亿吨）是一种未被充分利用的淡水来源。
基于吸附的大气水收集（SAWH） 是一种有前景的解决方案，尤其适用于干旱或偏远地区。
现有吸湿材料（如MOFs、沸石、聚合物凝胶）存在以下问题：

吸湿容量低
吸附/脱附动力学慢
扩散路径不畅通
循环稳定性差

图1 | 盐模板结晶制备面向超快、高容量大气水收集的定向连通大孔聚合物凝胶(a) STC/TiN-gel@LiCl 制备流程示意图。(b) 分子尺度上 LiCl 与聚合物链之间静电相互作用示意图。(c) STC/TiN-gel@LiCl 户外大气水收集‑脱附‑发电联产示意图。(d) 本工作与前期研究在吸水量、吸附速率、脱附速率、日产量和循环稳定性方面的雷达图对比。

二、创新点与核心策略

作者提出盐模板结晶诱导的定向连通大孔结构设计策略，核心步骤包括：

过冷盐溶液（醋酸钠三水合物） 通过触控诱导结晶；
结晶过程中，单体、交联剂、光热材料（TiN纳米颗粒）被排挤到微区；
UV聚合形成密集交联的聚合物网络；
水洗去除盐模板，留下定向、互连的大孔结构；
最后负载LiCl作为高效吸湿盐。

图2 | STC-gel 的设计与表征(a) 盐模板触发的结晶与聚合过程示意图：(i) 完全熔融状态的前驱液；(ii) 接触触发后沿触发方向的定向晶体生长；(iii) 紫外光引发光聚合以固定定向多孔网络。(b) 采用荧光金相显微镜记录的触控结晶过程中晶相生长的全过程。(c) 不同过冷度下制备的 STC-gel 的扫描电镜微观结构。(d) 不同过冷度下制备的 STC-gel 的孔隙率表征。(e) STC-gel 前驱液在 –80°C 至 100°C 范围内的 DSC 曲线，升温速率 2°C/min。(f) 不同状态下 STC-gel 前驱液的 XRD 谱图，其中橙色为标准三水合醋酸钠的衍射图谱。(g) STC/TiN-gel、R-gel 和 STC/TiN-gel@LiCl 的 FTIR 谱图。

三、材料结构特点

STC/TiN-gel@LiCl：具有定向、互连的宏观孔道，孔径可调（通过控制结晶温度）；
孔道结构：提供快速水蒸气扩散通道，缩短液体传输路径；
PAMPS与LiCl的静电相互作用：固定Li⁺，防止盐泄漏，增强循环稳定性；
TiN纳米颗粒：提供高效光热转换，实现太阳能驱动脱附。

四、关键性能数据

性能指标	数据
饱和吸湿量（90% RH）	7.19 g/g
吸附速率	1.96 g/g/h
1.0 太阳光下脱附率	96.8% / 60 min
20次循环后保持率	90.4%
户外日产量（14.5°C, 55.6% RH）	3.29 kg/kg/day
同时发电电压	吸附：~50 mV；脱附：~111 mV

这些性能在同类材料中处于领先地位，尤其是在中高湿度（70–90% RH）范围内。

五、机理分析（MD模拟与实验验证）

1. 吸附机制：

水分子先与PAMPS的磺酸基形成氢键；
Li⁺的离子-偶极相互作用促进水分子向内迁移；
聚合物网络的高渗透压推动水分子持续向内扩散，再生吸附位点。

2. 脱附机制：

TiN纳米颗粒在光照下迅速升温（10分钟内升至46.3°C）；
定向孔道促进水蒸气和热量快速传输；
VT-IR显示：水分子与聚合物之间的氢键网络更快解离；
DSC表明：STC结构具有更低的脱附焓，说明脱附更省能。

图6 | STC/TiN-gel@LiCl 的户外 SAWH 实验(a) STC/TiN-gel@LiCl 的循环稳定性测试：在 90% RH、25°C 下吸湿，然后在 100°C 实验室烘箱中脱附，共 20 个循环。(b) 基于 STC/TiN-gel@LiCl 的实际装置照片，展示了日间太阳能驱动的水脱附过程。(c) 环境参数（相对湿度、温度、质量、光强）的实时监测数据。(d) 户外水收集过程中的质量变化，包括吸湿、脱附和收集的水量。(e) 基于全球年平均温度和相对湿度估算的 STC/TiN-gel@LiCl 日水产量。(f) 所收集水样中的离子浓度测定结果。

六、实验与模拟手段

结构表征：SEM、XRD、FTIR、EDS、DSC、TGA
性能测试：恒温恒湿箱吸附、太阳模拟器脱附
模拟工具：COMSOL（水蒸气扩散路径）、分子动力学（氢键、径向分布函数）
户外实验：真实环境下的昼夜循环吸附-脱附-发电联产系统

七、应用前景

可应用于便携式、低成本的太阳能驱动淡水收集系统；
同时实现水电联产，适用于偏远地区、沙漠、海上等缺水环境；
日产量（3.29 kg/kg）超过成人每日饮用水需求（约2 L）；
收集水中的离子浓度远低于WHO饮用水标准，安全可靠。

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