一、 摘要

本文提出盐模板结晶诱导受限聚合策略，制备定向互连大孔聚合物凝胶（STC/TiN-gel@LiCl），用于吸附型大气水收集（SAWH）。该材料结合 PAMPS 与 LiCl 的协同作用、定向多级孔结构，实现7.19 g g⁻¹ 吸湿量、1.96 g g⁻¹ h⁻¹ 超快吸附动力学、1 太阳光下 60 min 脱附 96.8%；20 次循环保持 90.4% 性能无盐泄漏；低温中湿环境下日产水量3.29 kg kg⁻¹ day⁻¹，为高效大气水收集提供新范式。

二、 引言

背景：全球淡水稀缺，2050 年超半数人口将面临缺水，大气水收集（AWH）是可持续解决方案。

现有问题：传统盐基吸湿材料吸附容量低、动力学慢、扩散壁垒高；定向冷冻造孔易牺牲力学稳定性，能耗高、难放大；无序孔阻碍水汽传输。

创新思路：利用乙酸钠三水合物过冷结晶，触控引发异相成核与定向生长，构建定向互连大孔结构，兼顾快速传输、高容量存储与力学稳定。

三、 结论

核心突破：触控盐结晶可调控孔尺寸与方向，制备定向互连大孔水凝胶，显著提升吸附动力学与容量。

关键性能：30%–90% RH 下吸湿量 1.10–7.19 g g⁻¹；1 太阳光下 60 min 脱附 96.8%；20 次循环保留 90.4% 性能。

实际应用：户外低温低湿环境日产水量 3.29 kg kg⁻¹ day⁻¹，同步产水发电（吸附 50 mV、脱附 111 mV），水质达标 WHO 饮用水标准。

价值：为便携式、低成本、高产率太阳能驱动 SAWH 系统提供新路径，实现水–电联产。

图解

图3

STC 凝胶的吸水性能

(a) 基于菲克第二定律拟合的吸附动力学曲线。(b) 水蒸气扩散系数（\(D_{ms}\)）与相对湿度的关系。(c) 采用 COMSOL Multiphysics 模拟的不同结构内水蒸气传输路径与速率。(d) 不同温度下的平衡吸附容量。(e) STC‑gel@LiCl、RSC‑gel@LiCl 与 R‑gel@LiCl 在 30%、50%、70% 和 90% 相对湿度下的平衡吸附容量。(f) STC/TiN‑gel@LiCl 与当前最先进的大气水收集（AWH）材料在 30%–90% 相对湿度范围内的静态吸附容量与吸附速率对比。

图4 

分子动力学模拟

(a) STC/TiN‑gel@LiCl 体系计算模型及随模拟时间变化的水分子动态过程快照(b) 水分子渗透过程的微观示意图(c) 体系内氢键数量随模拟时间的演变(d) 聚合物链上磺酸基团氧原子与水分子氢原子之间的径向分布函数 g (r)(e) 水分子平均累积配位数随径向距离 r 的分布

图 5 

STC/TiN‑gel@LiCl 的水脱附性能

(a) STC/TiN‑gel@LiCl 的水脱附示意图。(b) 水合态 STC/TiN‑gel@LiCl 与 R/TiN‑gel@LiCl 的太阳光吸收光谱；黄色阴影区域代表经标准 AM 1.5G 太阳光谱加权后的太阳光谱辐照度。(c) 1 倍太阳光照射下，STC/TiN‑gel@LiCl、RSC/TiN‑gel@LiCl 与 R/TiN‑gel@LiCl 的时间–温度曲线。(d) 25℃、70% 相对湿度下达到吸湿饱和的 STC/TiN‑gel@LiCl，在 0.5–1.5 倍太阳光照射强度下的水脱附曲线。(e) 25℃下不同湿度环境达到饱和的 STC/TiN‑gel@LiCl，在 1 倍太阳光照射下测得的水脱附曲线。(f) 25℃、70% 相对湿度下吸湿饱和后，1 倍太阳光照射下 STC/TiN‑gel@LiCl、RSC/TiN‑gel@LiCl 与 R/TiN‑gel@LiCl 的水脱附时间曲线及脱附速率。(g) STC/TiN‑gel@LiCl 的变温傅里叶变换红外光谱（VT‑FTIR），升温速率 10℃/min，每 5 分钟采集一次数据。(h) 相同含水量（1–3 g g⁻¹）的 STC/TiN‑gel@LiCl 与 R/TiN‑gel@LiCl 在水分蒸发过程中，由差示扫描量热法（DSC）测得的热流曲线。(i) 不同吸水倍率下，STC/TiN‑gel@LiCl 与 R/TiN‑gel@LiCl 的脱附焓（ΔHsp）数值。

图 6  

所制备 STC/TiN‑gel@LiCl 的户外吸附型大气水收集（SAWH）实验

(a) STC/TiN‑gel@LiCl 的循环性能：在 25℃、90% 相对湿度下进行吸湿，随后在 100℃烘箱中脱附，连续测试 20 个循环。(b) 基于 STC/TiN‑gel@LiCl 的实用化装置实物图，展示白天太阳能驱动脱附取水过程。(c) 环境参数（相对湿度、温度、质量、光照强度）实时监测数据。(d) 户外集水过程中的质量变化，包括吸湿、脱附与淡水收集量。(e) 基于全球年均温度与相对湿度估算的 STC/TiN‑gel@LiCl 日产水量。2024–2025 年全球年均温湿度数据取自 NASA POWER（全球能源资源预测）数据访问查看器（https://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/），并以 0.5°×0.5° 的空间分辨率处理得到全球年均值。(f) 收集水样中的离子浓度检测结果。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.73291

注：仅代表小编个人观点，侵权请联系！