具有定向微通道的太阳能驱动双网络干凝胶用于高效大气集水与可持续清洁水生产

《Desalination》：Solar-driven double-network xerogels with directional microchannels for efficient atmospheric water harvesting and sustainable clean water production

　　

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  具有定向通道的双网络干凝胶打破了SAWH中的容量-动力学困境
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  在30–90%相对湿度下实现了0.73–3.68 g g^?1的卓越吸湿容量
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  光热集成实现了98.8%的太阳光吸收和82%的水释放率
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  户外实验每天每平方米产生2.99升符合WHO标准的安全饮用水
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  确认了从材料设计到潜力评估的完整研究路径

引言

日益严重的全球淡水短缺已成为人类社会面临的重大挑战[1], [2], [3], [4]。在此背景下，太阳能驱动的大气水收集（SAWH）技术被认为是一种极具前景的缓解淡水危机的策略，因为它能够摆脱地理和水文条件的限制，同时利用可持续的太阳能[5], [6], [7], [8]。然而，SAWH的实际应用面临一个根本性困境，即高吸湿容量和快速吸附-解吸动力学这两个关键特性在吸湿材料中往往相互制约[9], [10], [11], [12]。这一瓶颈直接限制了SAWH系统的日产水量和运行效率。

追求更高的吸湿容量从根本上依赖于对材料内部亲水位点的精确调控，因为这些位点的密度和亲和力直接决定了水的捕获和保留[6], [13], [14]。在各种吸湿材料中，聚合物基水凝胶已成为有前景的候选材料，因为其三维交联网络为整合亲水位点提供了可调谐的框架[15], [16], [17]。然而，传统的单网络水凝胶往往受限于有效亲水位点密度不足。此外，单一的聚合物骨架通常缺乏在吸收水分后维持结构完整性所需的强健协同支撑，这最终限制了其稳定容纳大量水分的能力[16], [18], [19]。因此，迫切需要合理重新设计水凝胶的组成和结构。一个有前景的策略是引入富含极性基团的第二聚合物来构建互穿双网络，这不仅能丰富亲水位点，还能增强聚合物骨架的机械稳定性[20], [21], [22]，从而为水分储存创造更宽敞、更稳定的微环境。

同时，实现快速吸附-解吸动力学需要优化传质路径，而这关键取决于材料内部结构的合理设计[23], [24], [25]。水蒸气扩散进出材料的速率关键取决于其孔隙结构。在传统水凝胶中，致密且无序的孔隙网络严重阻碍了蒸气扩散，导致动力学缓慢。这一限制对太阳能驱动的解吸阶段同样不利，因为在该阶段高效的水蒸气逸出和传热至关重要[26], [27], [28]。因此，构建有序且相互连通的孔隙结构以提供低曲折度通道已被视为关键策略，这可以在吸附过程中促进快速蒸气扩散，并在光热解吸过程中确保高效的水蒸气逸出和传热。

在此，我们通过定向冷冻-干燥-浸渍策略构建了一种具有互穿双网络和定向微通道的聚丙烯酰胺/海藻酸锂-二硫化钼干凝胶（PSML）。作为关键的第二聚合物，海藻酸钠（SA）提供丰富的极性基团以丰富亲水位点，同时与聚丙烯酰胺（PAM）和Li⁺交联以增强机械稳定性。这种强健的PAM/SA双网络与吸湿性Li⁺之间的协同作用使该复合材料在宽湿度范围内具有出色的吸湿性能（在90%、60%和30%相对湿度下分别为3.68 g g^?1、1.38 g g^?1和0.73 g g^?1）。冰模板定向微通道被设计用于突破动力学瓶颈。实验测量和理论模拟均表明，与无序网络相比，微通道显著降低了扩散阻力，将初始吸附速率提高了1.77倍。在太阳能驱动的解吸过程中，微通道和均匀分散的绣球花状MoS₂纳米片协同作用。微通道将太阳光引导深入凝胶内部，而分级MoS₂纳米结构促进多次光散射，实现了卓越的全光谱吸收（~98.80%）。高效光热转换与快速传质之间的协同作用，在1个太阳光照射下实现了2.84 g g^?1的高水释放量和82%的解吸效率。户外AWH装置实现了2.99 L m^?2 d^?1的日产量，产出的淡水符合WHO饮用水标准。此外，对全球产水潜力的综合评估证实了该系统在不同气候区域的广泛适用性。总之，这项工作建立了一个从集成材料设计和机理阐明到实际验证和全球适用性评估的完整研究范式，从而为推进下一代SAWH技术提供了策略。

章节摘要

样品制备

本实验中使用的所有化学试剂均为分析纯，未经进一步纯化直接使用。MoS₂纳米片通过标准水热法合成（详见补充信息，SI，文本S1）。

双网络干凝胶（PSM）的制备：将丙烯酰胺（AM）单体（3.0 g）和MoS₂纳米片（0.3 g）通过超声处理20分钟均匀分散在35 mL超纯水中。然后以AM:SA质量比5:1加入海藻酸钠（SA）粉末，随后

形貌与化学结构

PSML复合材料通过集成定向冷冻-干燥-浸渍方法合成（图S1），这有助于形成独特的分级多孔结构。根据SEM观察，由PAM和SA共聚形成的PSM具有壁相对较薄的三维多孔网络结构（图1a）。由于冰模板法的定向冷冻过程诱导冰晶定向生长，形成了定向通道

结论

总之，本研究开发了一个高效太阳能驱动AWH平台。所制备的PSML独特地结合了互穿双网络和冰模板定向微通道。聚合物与Li⁺之间的协同作用建立了一个强健、高容量的吸湿网络。同时，定向微通道为快速蒸气扩散提供了低阻力路径，有效地解耦并协同增强了吸附容量和

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家重点研发计划[项目编号：2022YFC3702800]和国家自然科学基金[项目编号：22366008, 22406032]的支持。

李彦|郭朝阳|脱宇杰|王子辉|崔文