MXene集成海藻酸盐-盐复合水凝胶珠用于太阳能驱动大气水收集：LiCl与MXene功能的分工协同

《Polymer Testing》：MXene-integrated alginate–salt hydrogel beads for solar-driven atmospheric water harvesting

　　

用于太阳能驱动大气水收集的MXene集成海藻酸盐-盐复合水凝胶珠。四项匹配的组成设计分离了LiCl与MXene在吸附式大气水收集（AWH）珠体中的角色。LiCl主导水分捕获：在90%相对湿度（RH）下吸水率达3.38 g·g^?1，在30% RH下为0.65 g·g^?1。MXene主导水分释放：在1个太阳（1 kW·m^?2）辐照下，半释放时间从74 min缩短至39.5 min。LCMA珠体表现出106 kPa的压缩强度，并在二十次循环后保持98.8%的初始吸水率。三次户外昼夜循环可实现0.97 g·g^?1的液态水收集产量。

**论文解读：MXene-海藻酸盐-盐复合珠实现太阳能驱动大气水收集的功能分工**

水资源短缺因气候变化与人口增长日益加剧，可持续淡水解决方案成为全球性课题。大气中蕴含约12，900万亿升水蒸气，吸附式大气水收集（AWH）利用吸湿材料在夜间捕获水分、在白天以亚沸点温度太阳能再生，适用于分散式离网供水。然而，现有吸附剂各有利弊：硅胶低湿度下吸附量有限；沸石再生温度高；金属有机骨架（MOFs）存在水解稳定性与粉末成型问题；水凝胶基吸附剂虽可容纳吸湿盐，但在水摄取量、机械强度、再生效率及可操作性间仍存在权衡。传统光热材料如碳纳米管、氧化石墨烯、聚吡咯等存在分散性差或稳定性不足等缺陷。MXene（如Ti₃C₂T_x）具有亲水表面、宽带光吸收和高效光热转换能力，但以往MXene-聚合物-盐复合体系多为整体式结构，各组分对吸水和释放的独立贡献尚未被解耦量化。因此，研究人员设计了珠状MXene-海藻酸盐-LiCl复合材料，通过四组匹配组成在完全相同条件下对比，系统分离并量化LiCl与MXene在AWH中的角色差异。

研究人员采用室温离子凝胶化法制备Ca²⁺交联的MXene-海藻酸盐水凝胶珠（CMA），再浸渍LiCl得到最终复合珠（LCMA）。结构表征运用扫描电镜（SEM）与能谱分析（EDS）观察形貌与元素分布，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）与X射线光电子能谱（XPS）分析化学态，热重分析（TGA）评价热稳定性，流变与单轴压缩测试评估力学性能，差示扫描量热（DSC）与拉曼光谱解析水分子结合状态。吸附性能在恒温恒湿箱中测定，光热脱附采用太阳模拟器（1.0 kW·m^?2）配合红外热像仪测温。此外，进行了20次吸附-脱附循环测试，并于2026年7月31日、8月3日、8月5日在韩国忠南大学工程学院屋顶开展了三次户外昼夜循环试验（样本用量2.0 g），对收集的水样进行了离子色谱、电感耦合等离子体发射光谱/质谱（ICP-AES/MS）和水质参数分析。

**3.1 复合珠的制备与结构表征**

通过液滴挤出法，将含MXene的海藻酸钠溶液滴入CaCl₂凝胶浴中，经一步离子凝胶化形成毫米级均匀珠体，平均直径约2.63–2.99 mm。SEM显示珠体具有互连大孔网络，孔径从数微米到数十微米，有利于水蒸气传输。EDS面扫表明C、O、Ca、Ti、Cl元素均匀分布，无宏观相分离。FT-IR显示O–H伸缩带展宽、羧酸根振动峰变化，证实MXene引入和LiCl负载调控了网络内离子环境。TGA表明，MXene和LiCl提高了热稳定性，700 °C时LCMA残炭率显著增加。流变测试中LCMA的储能模量（G′）在整个频率范围内比LCA高约3–4倍，压缩强度达106.25±7.67 kPa，约为无MXene对照（LCA 53.57 kPa）的两倍，说明MXene纳米片增强了海藻酸钙网络的力学完整性。

**3.2 水吸附性能**

系统优化了CaCl₂浓度与MXene含量，确定10 wt% CaCl₂和3 mg·mL^?1 MXene为最佳（CMA）。LiCl浸渍浓度筛选显示30 wt% LiCl时平衡吸水率最高。在25 °C下，LCMA的平衡吸水率随相对湿度（RH）单调增加：30% RH时0.65 g·g^?1，50% RH时0.95 g·g^?1，70% RH时2.00 g·g^?1，90% RH时达3.38±0.07 g·g^?1。四组匹配对比表明，添加LiCl使90% RH下吸水率提高约1.05–1.22 g·g^?1，而MXene仅增加0.40–0.57 g·g^?1；初始2 h平均吸附速率同样由LiCl主导（LCMA为0.584 g·g^?1·h^?1）。拉曼光谱和DSC显示水分子以自由水、中间水和结合水多种状态存在，LiCl和MXene改变了氢键网络，但定性而非定量影响脱附动力学。与文献报道的水凝胶/盐类吸附剂相比，LCMA的12 h吸水率在30%–90% RH范围内处于先进水平。

**3.3 太阳能驱动水释放性能**

UV–Vis–NIR光谱表明，LCMA在250–2500 nm宽谱范围内吸收率超过95%，而无MXene的LCA吸收率明显较低。在1.0 kW·m^?2模拟太阳光下，含MXene的CMA和LCMA表面温度在90 min内升至75.7和77.2 °C，而无MXene的CA和LCA仅约40 °C。脱附动力学按MXene有无分为两组：CMA和LCMA的半释放时间均为39.5 min，90 min释放84.4%和88.4%的吸附水；CA和LCA的半释放时间为74 min，释放仅56–59%。即使MXene组初始含水量相差超过1 g·g^?1，释放速率仍一致，说明MXene主导释放。在0.5、1.0、1.2 kW·m^?2辐照下，90 min脱附比例分别为46.1%、88.4%、97.1%。能量平衡分析显示，3 h连续辐照的太阳能再生效率为35.6%（相对入射能量）。单层珠测温显示，前40 min珠面与底部温差小于5 °C，证实整体热传导有效。

**3.4 昼夜运行与水质评价**

20次连续吸附-脱附循环后，LCMA保持98.8%初始吸水率和96.7%初始释放率，Li和Ti保留率分别为97.5%和100.3%，Ca保留92.2%。珠体形状和内部多孔结构完好。户外三次昼夜循环中，夜间（20:00–08:00，平均26.3 °C，81.6% RH）吸附量为1.77±0.27 g·g^?1，白天（11:00–18:00，平均34.7 °C，53.8% RH）释放1.19±0.12 g·g^?1，其中0.97±0.08 g·g^?1冷凝为液态水，总体产率为55.2%。水质分析显示，Cl^?、F^?、Na⁺、Al等均低于世界卫生组织（WHO）指南限值；收集水电导率85.98 μS·cm^?1，低于当地自来水（186.5 μS·cm^?1），pH 6.31接近实验室去离子水。

**总结讨论与结论**

该研究通过匹配成对的组成对比，清晰揭示了三组分在AWH珠中的分工：Ca²⁺交联网络提供力学骨架，后负载的LiCl主导水汽捕获，MXene主导太阳能光热释放。LiCl在不影响脱附动力学的前提下提升吸附容量，MXene在不依赖含水量的前提下加速释放，两者可部分解耦优化。LCMA具有可室温制备、离散自支撑、可直接填充和回收等优点，为规模化太阳能驱动大气水收集提供了一种可现场部署的颗粒型材料平台。结论部分翻译如下：总之，珠状MXene-海藻酸盐-LiCl吸附剂（LCMA）通过组分间功能分工实现太阳能驱动的大气水收集：Ca²⁺构成负载机械载荷的蛋盒网络，后负载LiCl控制水分捕获，MXene控制太阳能驱动释放。匹配组成对比量化了这一归属：LiCl在90% RH和30% RH下将平衡吸附量分别提升至3.38±0.07 g·g^?1和0.65±0.08 g·g^?1，且不显著改变脱附动力学；MXene将半释放时间从74 min缩短至39.5 min，并在1.0 kW·m^?2下将释放比例从56–59%提高到84–88%。交联网络在无机械损失前提下承载盐分，压缩强度达106.25±7.67 kPa，约为无MXene对照的两倍。在三次户外昼夜循环中，珠体夜间吸附1.77±0.27 g·g^?1，收集液态水0.97±0.08 g·g^?1，并在二十次吸附-脱附循环后保持98.8%吸附量和96.7%释放率。收集水的水质参数处于或接近相关指南范围。珠体在室温下形成，保持离散自支撑状态，可独立操作和回收。这些结果确立了珠状MXene-海藻酸盐-盐复合材料作为可扩展、可现场运行的太阳能驱动大气水收集平台。