PEDOT:LS 驱动的太阳能吸湿凝胶：智能节水温室的核心组件

《Chemical Engineering Journal》：PEDOT:LS powered solar-driven hygroscopic gel: A core component for intelligent water-saving greenhouse

　　

• •
  通过强π-π堆积开发了一种具有成本效益的光热材料。
• •
  基于该材料的吸湿凝胶显示出高吸附和脱附能力。
• •
  构建了具有自动灌溉功能的智能温室节水系统。
• •
  实现了高效的节水效果及农业用水管理的可扩展性。

引言

全球水资源短缺问题日益严峻，严重威胁着人类社会和粮食安全。根据国际水管理研究所最新发布的论文，总淡水储量中仅有2.12%可以被可持续地开采用于直接人类利用[1]。全球超过20亿人受到水资源短缺的影响，约12亿人生活在农业（人类用水最多的领域）受到水资源短缺严重影响的地区[2]。全球农业系统中低效用水的问题被严重低估，每年人类总用水量中高达78%通过土壤蒸腾和作物蒸腾作用损失[1]。尽管温室农业可将用水量减少50%至90%[3]，但仍然造成了大量的全球水资源消耗[4]。鉴于温室栽培在现代农业中的重要性[5]，专为温室种植设计的资源节约系统可以作为解决当前全球水资源短缺问题的有效且可行的策略。

温室是满足因全球人口增长而日益增长的食品需求的关键手段之一。预计到2060年左右，世界人口将达到100亿，并将长期稳定在这一水平[6]。尽管已经开发了多种减少水资源浪费的方法[7]、[8]、[9]，但由于人口增长、土壤退化、城市化和饮食多样化[10]、[11]，仍然需要高效且自给自足的温室。先进的温室技术，如太阳能驱动[12]和电动驱动[13]的集水系统、缓释施肥[14]以及微气候系统[15]，提高了温室生产效率，但它们在可扩展性和环境友好材料制备以及自动化控制系统方面存在局限性。为了满足温室农业的内在需求，制定温室内部循环的大规模化策略对于优化农业系统中的水资源利用至关重要。

吸附式大气集水器（SAWHs）是一种高效且可持续的新型方法，用于应对水资源短缺。吸附剂通常包括多孔物理吸附剂[16]、[17]、吸湿盐[18]、金属有机框架（MOFs）[19]和水凝胶[5]、[13]。大量研究工作致力于阐明SAWHs的工作机制并探索其实际应用[18]、[20]、[21]。太阳能蒸发是一种广泛采用的方法，通过原位产热驱动水分脱附，无需外部能量输入[22]。太阳能驱动SAWHs在绿色能源方面的优势吸引了研究人员的广泛关注[23]、[24]、[25]、[26]。鉴于温室夜间相对湿度较高，且白天光照充足，吸附剂在夜间吸附的潮气在白天经太阳辐射后脱附为水蒸气，随后冷凝为液态水。近期研究探索了SAWHs在农业中的应用以解决淡水短缺问题[27]、[28]，展现了广阔的前景。然而，SAWHs的灌溉时间和灌溉量完全取决于脱附过程，无法实现可控的智能调节。特别是某些对积水敏感的植物品种[29]、[30]在这方面提出了更加严格的要求。此外，农业应用的SAWHs不可避免地面临大规模部署和成本效益方面的要求。能够解决上述问题的SAWHs在温室农业节水方面表现出色。

在此，我们设计并制造了一种基于太阳能驱动吸湿凝胶（SHGs）的温室节水系统（GWSS），该系统具有优异的性能和成本效益，实现了自我控制和自我循环。SHGs由光热转换材料、凝胶基质、交联剂和吸湿盐组成。聚(3,4-亚乙氧基噻吩):木质素磺酸盐（PEDOT:LS）是本工作中专门合成的光热转换材料，具有由强π-π堆积衍生而来的高光热转换效率。此外，其丰富的氢键使其能够与凝胶系统很好地结合，同时促进水分吸收和保水。PLP-Li（PEDOT:LS-PVA-Li）表现出优于基于传统碳材料和导电聚合物的SHGs的水吸附-脱附能力。在90%相对湿度下，其水吸附能力为3.71 g g^?1，在57.50 °C温度下脱附能力可使大部分储存的水分蒸发。此外，PLP-Li产生的饮用水符合多项国际标准，并在多次吸附-脱附循环中保持稳定的性能[31]。GWSS专为温室农业中的水资源保护和植物灌溉管理而设计。它可以在白天利用光热蒸发生产水，并通过监测SHGs的蒸发过程来确定理想的植物灌溉时机。在晴天条件下，每株植物的产水量为19.90 g，每平方米为3317.2 g m^?2，占植物每日总灌溉水量的49.76%，这证明GWSS在大规模农业节水方面具有巨大潜力，并为智能农业材料提供了有价值的见解。

章节片段

PEDOT:LS的合成

PEDOT:LS通过具有成本效益且简单的方法合成。合成中使用的主要试剂包括木质素磺酸钠（LS，阿拉丁）、硫酸铁（Fe₂(SO₄)₃，AR，阿拉丁）、3,4-亚乙氧基噻吩（EDOT，99%，麦克林）、过硫酸钠（Na₂S₂O₈，AR，国药集团）。在室温下，将1.5 g LS和0.056 g Fe₂(SO₄)₃溶解在100 mL去离子水中。然后，向溶液中加入1.5 mL EDOT，搅拌12小时。

PEDOT:LS的合成与表征

为了满足SHG对高光热转换性能和大规模制备的要求，光热转换材料PEDOT:LS通过化学氧化聚合合成（图1a）。在反应过程中，S₂O₈^2?引发EDOT单体形成阳离子自由基[32]。通过EDOT阳离子自由基的重复偶联实现聚合物链的增长，在此过程中LS作为抗衡离子，沿着PEDOT保持电荷平衡。

结论

总之，本工作实现了从光热转换材料到太阳能驱动吸湿凝胶，再到温室节水系统的全链设计。PEDOT:LS基于通过增强π-π堆积来增强光子跃迁后振动弛豫的机制进行合成。其光热转换效率高于LS，在相同浓度下，平均吸光度是LS的9.13倍。因此，掺入PLP-Li的……

CRediT作者贡献声明

孙浩文：撰写——初稿、可视化、监督、软件、方法论、正式分析、数据管理、概念化。杨妮：验证、调查、正式分析。乌子豪：验证、软件、调查。孙秀月：验证、调查。张文希：撰写——审阅与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

孙浩文|杨妮|乌子豪|孙秀月|张文希