Science之后，再发AM！上海交大王如竹团队：混合吸附模式聚电解质水凝胶实现全天候空气取水

随着全球人口的增长，由于水资源分布不均匀导致的淡水紧缺问题日益严重。大气中含有大量的淡水，其水资源含量估计为12,900立方公里，约占地球上淡水资源的10%。因此，吸附式的大气水收集系统被认为是一个十分有前途的方法来缓解水短缺，这类系统可以实现淡水生产在广泛的相对湿度（RH），特别是在低RH（RH<60%）环境直接利用高水亲和力的吸附剂从空气中捕获水分子，从而产生淡水。在这套体系中，吸附剂的吸附性能决定了系统的集水极限，因此，吸附剂的设计和开发引起了极大的关注，并在吸水能力、动力学和稳定性等方面促进了空气取水系统的整体性能。

吸湿盐嵌入复合材料（HSCM）是通过将吸湿盐（如氯化锂）轻松嵌入基体过程合成的，已经在空气取水系统中得到了广泛的研究，特别是在放大应用中。这种材料具有低成本制造、易于操作和可扩展的制备方法，以及对广泛的空气湿度范围（10-100%）具有很强的适应性。基于水凝胶的吸湿盐嵌入复合材料因其储水量大，是最为广泛应用的材料之一。其吸附过程始于包埋的吸湿盐，首先捕获水蒸气，然后在水凝胶表面原位液化水分子。在此之后，液化后的水通过渗透压差被转移到聚合物网络中，并由于其独特的溶胀特性而被储存起来。表面水分捕获部位被重新暴露以供后续吸附。因此，由渗透压驱动的水的迁移及其随后由膨胀引起的滞留是区分水凝胶基吸附剂和其他吸附剂的决定性特征。水凝胶的溶胀性能和内部渗透性能有助于提高水的储水和迁移能力，从而显著影响了材料的吸附能力和动力学。然而，最近开发的非离子水凝胶的内部渗透压远低于吸附过程中产生的吸湿盐溶液，导致非离子水凝胶的膨胀性能降低甚至丧失，从而影响了水的运输和储存性能。此外，不带电聚合物链的非离子水凝胶与嵌入的吸湿盐没有相互作用，因此盐存在在软水凝胶-盐体系方案中具有快速迁移的自由状态，在多次吸附-解吸循环后可能导致盐泄漏和盐团聚的风险。

近期，上海交通大学的王如竹团队联合新加坡国立大学的Swee Ching Tan团队提出了利用聚电解质基的水凝胶提升水凝胶内部渗透压的方法，提升水凝胶基吸湿剂的稳定性和动力学。并且将该材料应用于一种具有最佳混合解吸多环操作策略，实现了全天的大气水收集和日产水量的显著增加。在该体系中带电的聚合物链与吸湿性盐离子协调，锚定盐类，防止结块和泄漏，从而提高循环稳定性。混合解吸模式则是将太阳能和模拟废热耦合在一起进行解吸，引入了一个均匀的、可调节的吸附剂温度，以实现全天超快速的水释放。通过快速的吸附-解吸动力学，一个优化模型实现了8个水分捕获-释放循环，证明了2410 mL kg-1 day-1的高产水产量，是单循环非混合采水模式的3.5倍。该工作以题为“All-day Multicyclic Atmospheric Water Harvesting Enabled by Polyelectrolyte Hydrogel with Hybrid Desorption Mode”的文章发表于Advanced Materials上。

聚电解质吸附剂的设计与性能

水凝胶基质主要通过自由基聚合而成，并且通过评估水凝胶的力学性能和溶胀能，来确定最佳交联度。该水凝胶主要采用具有磺酸基团的单体，由于均匀分布的磺酸基可以连接到水凝胶聚合物网络上，因此可以均匀地将Li+限制在孔隙中。傅里叶变换红外（FTIR）光谱证实了水凝胶中磺酸盐与Li+配合配合物的存在，代表S=O伸缩振动峰发生了显著的位移。高分辨率光电子能谱（XPS）谱显示盐的结合能升高，盐配位强度变化，这也证实了PAMPS-CNT与配位盐的相互作用。

配位氯化锂和自由氯化锂共同有助于水凝胶吸附剂的吸水能力、动力学和稳定性。所制备的水凝胶PAMPS-CNT-LiCl在25℃下RH为15%、30%、60%和90%的条件下最大吸水量分别为0.65 g/g、1.00 g/g、1.87 g/g、5.45 g/g。这表明PAMPS-CNT-LiCl在各种RHs中具有良好的吸附能力和较强的环境适应性。此外，水凝胶的三维多孔结构包含将锂离子固定在孔隙壁上的磺基。这种锚定效应意味着，在吸附过程中，只有已经被吸附的水分子在三维多孔通道中进行快速迁移，而表面吸湿位点仍然主要是不饱和的，可用于随后的吸附。这进一步有助于水凝胶吸附剂的快速吸附动力学。在高RH条件下，由于潮湿环境下的强吸水能力（90% RH），吸附剂在600分钟内可达到平衡吸水能力（5.45 g/g）的80%（4.49 g/g）。

混合脱吸附模式的提出

在混合解吸模式中，将太阳能和余热相结合，水凝胶吸附剂分别在热源温度为50、60、75和90℃下，在2小时内分别释放2.54、2.98、3.23和3.27 g g-1。杂化模式下的动态解吸曲线形状与单预热驱动的解吸曲线相似，只是出水量增高，说明杂化模式下的余热温度在解吸动力学和程度上起主导作用。初始2小时解吸期的水量随温度升高而增加，但在75℃以上不明显，表明75℃接近解吸速率的阈值。这可能是由于游离氯化锂容易完全结晶和释放水合水的影响。为了研究上述三种解吸模式在解吸速率和程度上的显著差异背后的机制，通过COMSOL软件模拟了不同能量输入构型下水凝胶吸附剂的内部温度变化。结果表明，太阳驱动的解吸导致水凝胶表面温度的升高非常缓慢，30分钟后的低温升高仅为45℃，远未达到平衡。相比之下，对于余温驱动的解吸模式，水凝胶的表面温度仅在13分钟内就达到65℃的平衡温度。对于混合加热模式，水凝胶吸附剂通过耦合能源从顶部和底部同时加热。在杂化解吸模式下，水凝胶的上表面温度在较短的时间内达到较高的温度75℃，达到了与废热源温度相同的温度。此外，采用混合解吸模式，其内部温度分布非常均匀，温差小于1 ℃。水凝胶中较高的平均温度和更均匀的温度分布有利于水和蒸汽在水凝胶内的输送，导致比前两种模式更快的解吸速率和度。

小结：该文报道了一种通过混合热驱动解吸的方式，实现了全天的大气集水，并从材料和战略设计的方面提高了日水产量。阳离子聚电解质水凝胶吸附剂PAMPS-CNT-LiCl有利于较大的渗透压，以实现快速吸水动力学和储水。由于其独特的化学成分，它也使氯化锂离子能够与带电的聚合物链配合，以实现稳定的盐保留。混合解吸模式是将太阳能和模拟废热驱动水释放的结合，使其独特的温度模式与非常均匀的吸附温度，以实现超快的水释放。并且余热利用使水的释放延长到夜间，从而实现全天快速多环集水。

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