综述：复合水凝胶及其集成器件在大气水收集中的最新进展

本综述系统探讨了复合水凝胶在大气水收集（AWH）领域的最新进展。文章重点介绍了通过引入吸湿性组分（如盐类、MOFs）和光热材料（如石墨烯）构建的复合水凝胶，其具备高吸附容量、快速动力学及低能耗再生等优势，并详细评述了其合成方法、结构功能及各类AWH集成器件，为应对全球淡水短缺问题提供了高效、可持续的创新解决方案。

　　

复合水凝胶及其集成器件在大气水收集中的最新进展

全球淡水资源的短缺已成为一个紧迫问题，推动了淡水生产替代技术的发展。大气水收集（Atmospheric Water Harvesting, AWH）技术是一种前景广阔的解决方案，其核心是从空气中提取水蒸气。水凝胶凭借其三维网络结构、高溶胀率、优异的亲水性和快速的吸附/脱附动力学，正成为AWH的关键材料。通过引入吸湿性或光热组分，复合水凝胶能显著增强大气水分捕获并促进水释放。

引言

全球淡水危机正成为一个日益严峻的问题，在清洁水获取严重受限的干旱和半干旱地区尤为突出。自然环境中水资源丰富，但仅有不到0.36%的淡水可供人类直接饮用。因此，如何大规模获取淡水以满足人类生存需求已成为一个亟待解决的问题。目前主流的集中式淡水生产技术包括海水淡化、废水处理和大气水收集（AWH）。传统的海水淡化和废水回用技术能耗高、对环境有负担，并且依赖广泛的管道和集中式电力，难以惠及偏远贫困地区。相比之下，AWH具有便捷、低成本、低污染和资源丰富等显著优势。

AWH主要通过雾收集、露滴收集和吸附剂收集来实现。雾收集通常指收集空气中的微小液滴，通常要求高相对湿度或饱和环境，对环境条件要求苛刻。露滴收集通过将空气冷却至露点以下使水蒸气凝结成液态水，是一种有效的集水方法，但该过程在经济可行性和实用性方面存在显著局限性，尤其是在干旱和资源贫乏地区。基于吸附剂的AWH技术操作成本更低，环境要求更宽松。该方法通过吸附剂捕获空气中的水蒸气，并通过受控的脱附过程将其以液态水形式释放。最初，LiCl和CaCl₂等吸湿盐因其对水蒸气的强亲和力而被广泛用作AWH的吸收剂。随后，研究人员转向更传统的多孔无机干燥剂，如硅胶、沸石和分子筛。但这些材料在低相对湿度条件下吸湿性差，且脱附过程能耗高。

另一方面，这些传统吸附剂通常在低湿度环境下失效，且难以成型和操作，这促使研究人员为其寻找合适的载体。近年来，水凝胶因其三维聚合物网络结构提供了高比表面积和孔隙率而受到广泛关注。这些特性使其即使在恶劣条件下也能表现出优异的水蒸气吸附性能。水凝胶还具有可调性，能够引入其他吸湿组分以进一步增强其吸湿和脱附能力。这些进展标志着AWH技术的重大飞跃，尤其适用于低湿度的干旱地区。一系列吸湿盐离子或吸湿组分（如金属有机框架，MOFs）可以被复合到水凝胶中，从而提升水凝胶的水吸附能力。此外，为实现太阳能辅助脱附，石墨烯和碳纳米管等光热材料被引入水凝胶基质中。这种独特的组合赋予复合水凝胶若干有利于AWH的特性，包括高吸附容量、快速吸附动力学、稳定的循环能力和低能耗再生。这些特性使得复合水凝胶非常适用于AWH应用。

复合水凝胶用于AWH

水凝胶是一种具有三维网络结构的聚合物材料，能够吸收并保持大量水分。根据制备方法的不同，水凝胶可分为化学交联水凝胶和物理交联水凝胶两大类。此外，水凝胶还可被赋予刺激响应特性，包括pH响应、温度响应、光响应等。它们会响应外部刺激而改变性质（形状和大小）。

吸水性能

将吸湿材料（如盐类和MOFs）嵌入水凝胶网络可以显著增强其吸水能力。吸湿材料通过其强亲水性，能快速吸附空气中的水分子形成初始吸附层。该初始吸附层不仅增加了吸附位点，还通过毛细管冷凝促进进一步的水分子吸附。随后，水凝胶网络为捕获的水分提供了存储空间。

AWH装置或设备

文献中讨论的设备是利用复合水凝胶和各种能源进行吸附和脱附过程的创新方法。为了增强系统的机械组成，模块化和连续系统强调了系统运行时的灵活性和连续性。

结论与展望

AWH技术正朝着更高效、更经济、更可持续的方向发展。复合水凝胶通过整合吸湿材料和光热材料，展现出卓越的水分捕获和释放能力。未来的研究将侧重于开发新型复合策略、优化器件结构、提高能量利用效率以及探索在极端环境下的应用潜力，从而为解决全球淡水短缺问题做出更大贡献。