夜雨聆风
盐模板诱导结晶策略突破大气集水瓶颈：取向互连大孔吸湿凝胶实现超快、高容量水收集
引言：全球淡水危机下的新曙光
淡水短缺已成为全球性严峻挑战，而大气中蕴含的海量水汽为水资源获取提供了潜在途径。传统吸附材料普遍受限于吸湿速率慢、储水容量有限、盐分易泄漏等问题，难以实现高效持续的水收集。近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料全国重点实验室陈涛研究员、魏俊杰副研究员与宁波大学王文钦教授合作，在《Advanced Materials》上发表突破性研究成果，通过盐模板诱导结晶策略成功设计出孔径与方向可控的互连大孔吸湿水凝胶。该材料在90%相对湿度下饱和吸湿量达7.19 g g⁻¹，在300分钟内即接近吸附平衡，并在阳光照射下60分钟内释放96.8%吸收水，为解决大气水收集的核心技术瓶颈提供了全新的材料范式。
一、传统困境与革新思路
大气水收集（Atmospheric Water Harvesting）技术利用吸附剂从空气中捕获水汽，再通过如太阳能加热等方式释放收集液态水，尤其在干旱及缺水地区具有应用前景。然而，传统吸附材料如硅胶、沸石或某些金属有机框架（MOFs）面临根本挑战：
吸附动力学慢：致密或多级无序孔道结构限制了水蒸气向材料内部的扩散速率。 吸附容量有限：微孔为主的比表面积虽高，但总吸水容量受限于孔体积及吸湿位点密度。 盐分泄漏与稳定性差：常用吸湿盐（如LiCl、CaCl₂）在反复吸附-解吸过程中易潮解、迁移甚至泄漏，导致性能衰减和材料失效。
因此，如何构建兼具快速传质、高容纳量、高稳定性的吸附剂结构，成为领域内亟待突破的关键科学问题。
二、核心技术：盐模板结晶诱导限域聚合策略
研究团队创新性地提出 “盐模板结晶诱导限域聚合”策略，以解决定向有序孔结构构建难题。
动态盐模板与定向生长：使用三水合乙酸钠（NaAc·3H₂O）溶液作为前驱体，其具有稳定的过冷特性。在约57 °C的宽温区可保持亚稳态均相溶液。通过接触触发，晶体沿触发方向定向、高速生长（图1a），同时将功能单体（AMPS）、交联剂、光热材料（氮化钛TiN）及引发剂等排挤至晶体间隙的受限微区内。 紫外聚合固定多孔网络：随后进行紫外光聚合反应，在溶质富集的晶间区域形成致密的聚电解质网络（以聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸PAMPS为主链），锁定孔道形态（图2a）。最后洗除盐模板，即获得具有高度缠结聚合物骨架的垂直取向、相互贯通大孔结构（图2c）。 孔径可调与结构普适性：通过调节结晶温度（15–45 °C），可精准控制孔径在20 μm至100 μm范围（图2d）。该方法对多种吸湿性单体具有良好普适性。扫描电镜与压汞法证实了孔道的高度规整与可控性（图2c, d）。这种微米级三维贯通垂直孔道为水分子提供了低阻力、高流速的传输高速公路，从根本上解决了传统多孔材料传质慢的问题。
三、关键改进：高效锚定吸湿盐以提升稳定性
吸湿盐氯化锂（LiCl） 因其极高吸湿能力是理想吸水剂，但易泄漏和聚集失效。本研究通过化学作用实现其牢固负载：
静电锚定机制：PAMPS链上的磺酸基团与Li⁺离子通过强静电相互作用形成稳定络合物（图1b）。 抑制盐聚集与泄漏：这种作用将LiCl均匀、牢固地锚定在聚合物网络上，有效防止其在反复吸水-脱水循环中的迁移、聚集和流失，从而协同提升材料的吸湿容量、吸附速率与长期循环稳定性。分子动力学模拟进一步证实，在初始阶段水分子即与磺酸基团形成强氢键（图4d），随后在Li⁺离子水合驱动下快速向内扩散。
四、卓越性能：全面超越现有水平
所制备的STC/TiN-gel@LiCl表现出全方位的优异性能（图1d雷达图所示）：
超高吸附容量与快速动力学： 饱和吸湿量：在90%相对湿度下达到7.19 g g⁻¹，是目前已报道的中高湿度区间（70%–90% RH）吸湿容量最高的材料之一（图3e, f）。 快速吸附：在30%–70%的宽湿度范围内，仅需约300分钟即可接近吸附平衡，显著快于无序孔道凝胶（R-gel）。基于菲克第二定律计算的水蒸气扩散系数证明，取向大孔结构极大降低了传质阻力（图3a, b）。COMSOL模拟显示，水蒸气在定向孔道内的渗透速率始终高于无序结构（图3c）。 宽温适应性：在15–35 °C温度范围内吸附量几乎不变，显示出优异的户外环境适应性。 机制深入解析：其超快吸附得益于拉普拉斯毛细压力驱动的快速浸润、LiCl离子水合的化学势梯度以及聚电解质网络固有高渗透压的协同作用。三者共同驱动水汽从气相向材料内部液相快速传质，并动态更新吸附位点，实现“捕获-迁移-再生”的动态循环。 高效太阳能驱动脱附： 高光热转换：原位聚合引入的TiN纳米颗粒使材料在300-2500 nm波段的太阳吸收率高达~95%（图5b）。在1个太阳光照下，表面温度在10分钟内升至46.3 °C（图5c）。 极速水释放：得益于高效光热转换和定向孔道的快速传质，材料在1.0 sun光照下60分钟内释放96.8%的吸水量；光照增强至1.5 sun时，45分钟释放98.7%；即便在0.5 sun弱光下，100分钟也能脱附80.9%（图5d, f）。 低脱附能垒：变温红外光谱显示其氢键网络解离更快（图5g），DSC分析表明在相同含水量下其脱附焓显著低于对照样品（图5h, i），证实取向孔结构通过定向传热降低了脱附所需能量。 优异循环稳定性与实用化验证：材料在反复吸湿-脱湿循环后性能保持稳定，归功于高度缠结的聚合物网络结构以及LiCl的牢固锚定。在实际户外（低温条件）测试中，实现了日产水3.29 kg kg⁻¹的卓越性能，展现出巨大的应用潜力。 潜在应用拓展：水收集-脱附-发电联产：如图1c示意，该材料系统可望与后续的淡水收集、甚至热电发电模块集成，构建一体化、可持续的能源-水资源联产系统。
五、总结与展望
本研究通过巧妙的盐模板诱导结晶策略，成功制备了孔径与方向可调的取向互连大孔吸湿水凝胶，从结构设计（快速传质通道）、组分设计（吸湿盐牢固锚定）和功能集成（高效光热转换）三个层面实现了性能突破：
结构上，构建的三维贯通垂直大孔网络解决了扩散瓶颈。 组分上，通过聚电解质静电锚定吸湿盐，解决了盐泄漏难题。 功能上，结合高吸收光热纳米颗粒，实现了低能耗、快速再生。
这项工作不仅为设计新一代高性能大气集水材料提供了简洁、普适而强大的新范式，其 “盐模板结晶” 思路也为其他需要多孔结构的功能材料（如催化剂载体、电极材料、吸附分离介质等）的制备开辟了新途径。未来，通过优化材料体系、降低成本和推动规模化制备，此类高性能吸湿凝胶有望在干旱地区淡水供应、农业灌溉、个人便携取水设备等领域发挥重要作用，为应对全球水资源挑战贡献关键材料解决方案。
相关阅读与资源
研究论文全文：可通过Advanced Materials期刊官网获取。
（注：本文内容基于科研论文报道整理，所有科学数据及结论均引用自原文，旨在进行科研成果解读与科普介绍。）
图1. 盐模板结晶法制备定向互连大孔聚合物凝胶用于超快、高容量大气水收集。a) STC/TiN-gel@LiCl 制备过程示意图。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) 本研究与以往研究在吸水容量、吸附速率、释放速率、日产水量和循环性能方面的雷达图对比。
图2. STC-gel的设计与表征。a) 盐模板触发结晶与聚合过程示意图：i) 完全熔融状态的前驱体溶液；ii) 接触触发后，晶体沿触发方向定向生长；iii) 紫外光引发光聚合以固定定向多孔网络。b) 利用荧光金相显微镜记录接触触发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SEM微观结构。d) 在不同结晶过冷度下制备的STC-gel的孔隙率表征。e) STC-gel前驱体溶液在-80 °C至100 °C温度范围内的DSC曲线，升温速率为2 °C/min。f) 不同状态下STC-gel前驱体溶液的XRD图谱，橙色线为三水合乙酸钠的标准图谱，供参考。g) STC/TiN-gel、R-gel和STC-/TiN-gel@LiCl的FTIR图谱。
图3.STC-gel的吸水性能。a) 基于菲克第二定律拟合的吸附动力学。b) 水蒸气扩散系数（Dms）与相对湿度的关系。c) 利用COMSOL Multiphysics模拟的不同结构中水蒸气的传输路径与速率。d) 不同温度下的平衡吸附容量。e) STC‑gel@LiCl、RSC‑gel@LiCl和R‑gel@LiCl在30%、50%、70%和90% RH下的平衡吸附容量。f) STC/TiN‑gel@LiCl与已报道的最先进大气集水材料在30–90% RH范围内静态吸附容量和吸附速率的对比。
图4. 分子动力学模拟。a) STC/TiN gel@LiCl 体系的计算模型及水渗透过程的动态快照。b) 水渗透过程的微观描绘。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的氧原子与水分子氢原子之间的径向分布函数g(r)。e) 水分子的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的水脱附过程示意图。b) 水合STC/TiN-gel@LiCl和R/TiN-gel@LiCl的太阳吸收光谱；黄色阴影区域表示经标准AM 1.5G太阳光谱加权的太阳光谱辐照度。c) 在1.0 sun光照下，STC/TiN-gel@LiCl、RSC/TiN-gel@LiCl和R/TiN-gel@LiCl的时间-温度曲线。d) 在25°C和70% RH条件下吸湿饱和的STC/TiN-gel@LiCl，在0.5至1.5 sun太阳光照强度下的水脱附曲线。e) 在25°C及不同湿度水平下吸湿饱和的STC/TiN-gel@LiCl，在1.0 sun光照下测得的水脱附曲线。f) 在25°C和70% RH条件下吸湿饱和后，STC/TiN-gel@LiCl、RSC/TiN-gel@LiCl和R/TiN-gel@LiCl在1.0 sun光照下的动态水脱附曲线及脱附速率。g) STC/TiN-gel@LiCl的变温FTIR，升温速率为10°C/min，每5分钟测量一次。h) 相同含水量（1–3 g g⁻¹）的STC/TiN-gel@LiCl和R/TiN-gel@LiCl在水分蒸发过程中的DSC热流曲线。i) STC/TiN-gel@LiCl和R/TiN-gel@LiCl在不同吸水率下的ΔHsp值。
图6. 所得STC/TiN gel@LiCl的户外SAWH实验。a) STC/TiN gel@LiCl的循环性能：在90% RH和25 °C条件下进行吸湿，随后在实验室烘箱中于100 °C下进行水脱附，共循环20次。b) 基于STC/TiN gel@LiCl的实际装置照片，展示白天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，包括吸湿量、脱附量和收集水量。e) 基于全球年平均温度和相对湿度估算的STC/TiN gel@LiCl日产水量。2024–2025年全球年平均温度和相对湿度数据来源于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/），并经处理以0.5° × 0.5°的空间分辨率计算全球年平均值。f) 收集水样中离子浓度的测定。
原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73291
免责声明：本文内容基于所发布的论文进行深度解读与通俗化演绎。具体技术细节、实验数据与应用前景，请务必查阅作者团队官方发表的原文。未经许可，请勿将本文用于商业用途或作为投资决策依据。
夸张主题是为了更好的推荐，实际请阅读原文 如果您已经阅读到这请点击关注➕在看➕留言➕转发朋友圈 课题组 万分感谢支持 我们的动力来自您的关注
