01

研究背景

全球水資源短缺是本世紀(jì)最緊迫的挑戰(zhàn)之一。盡管地表水是主要的淡水來(lái)源，但其儲(chǔ)量有限且分布不均。海水淡化雖然提供了另一種途徑，但其高昂的能耗構(gòu)成了普遍獲取清潔水的重大障礙。在此背景下，地球大氣層作為一個(gè)幾乎取之不盡的水庫(kù)進(jìn)入了人們的視野。大氣中蘊(yùn)藏著約13,000立方千米的水蒸氣，其總量是全球河流總水量的六倍。因此，從空氣中收集水（Atmospheric Water Harvesting, AWH）的技術(shù)，為將經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源限制脫鉤、促進(jìn)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)6.1（為所有人提供水和環(huán)境衛(wèi)生）提供了一條極具前景的新途徑。

在多種AWH技術(shù)中，基于吸附原理的大氣水收集（SAWH）因其能夠在更寬的濕度范圍內(nèi)工作而受到關(guān)注。其核心優(yōu)勢(shì)在于吸附-解吸動(dòng)力學(xué)快，且易于獲得較大的吸附容量，從而實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)水率。目前的研究聚焦于開(kāi)發(fā)各類吸附劑，包括固體吸附劑（如金屬有機(jī)框架MOFs）、聚合物吸附劑（如水凝膠）和液體吸附劑（如吸濕鹽溶液）。為了提升性能，近期研究致力于在吸附劑內(nèi)部構(gòu)建分級(jí)通道以擴(kuò)大水傳輸路徑和比表面積。然而，對(duì)于單一的固態(tài)、液態(tài)或聚合物吸附劑而言，快速的水收集動(dòng)力學(xué)和理想的吸附容量往往難以兼得，形成了一種性能上的“權(quán)衡”。

為了突破這一限制，將不同吸附劑優(yōu)勢(shì)結(jié)合的“雜化”策略應(yīng)運(yùn)而生，例如將吸濕鹽負(fù)載于多孔水凝膠中。這類復(fù)合材料雖然在一定程度上整合了鹽的高吸濕性和凝膠的多孔結(jié)構(gòu)，但也帶來(lái)了鹽分泄漏、設(shè)備腐蝕以及長(zhǎng)期性能衰減等不容忽視的問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，一條路徑是使用聚電解質(zhì)復(fù)合水凝膠，利用其“鹽入”效應(yīng)和溶脹特性來(lái)增強(qiáng)與吸濕鹽及水分子的相互作用；另一條根本性的路徑則是完全避免使用吸濕鹽，這有賴于對(duì)聚合物骨架與水分子相互作用的深刻理解，從聚合物設(shè)計(jì)本身入手提升性能。

從原理上講，氫鍵被普遍認(rèn)為是決定水分子與吸附劑骨架親和力、在骨架中的存儲(chǔ)形式以及從骨架解吸能力的關(guān)鍵。本質(zhì)上，氫鍵源于空間局部電荷之間的靜電相互作用。在水分子被吸附位點(diǎn)捕獲之前，它們必須首先克服隨機(jī)布朗運(yùn)動(dòng)，接近吸附劑表面，這一“接近過(guò)程”及其背后的水-聚合物相互作用顯著影響著AWH的整體動(dòng)力學(xué)。以往研究較多關(guān)注水分子與表面結(jié)合后的狀態(tài)，而對(duì)于氣態(tài)水分子如何被“引導(dǎo)”并“穩(wěn)定”在材料表面附近這一前置關(guān)鍵步驟的理解尚不充分。特別是，水分子作為偶極子，其與帶有不同電荷的聚合物表面的初始相互作用機(jī)制，是決定后續(xù)高效氫鍵形成和快速吸附動(dòng)力學(xué)的先決條件。因此，深入探究水分子在接近表面過(guò)程中的偶極重排行為，以及表面電荷如何調(diào)控這一過(guò)程，對(duì)于設(shè)計(jì)本征快速AWH材料至關(guān)重要。本研究正是基于這一科學(xué)問(wèn)題，旨在揭示表面電荷密度如何通過(guò)影響水分子的接近與取向，從而決定聚電解質(zhì)復(fù)合水凝膠的AWH動(dòng)力學(xué)，為設(shè)計(jì)無(wú)需吸濕鹽的高性能快速吸濕材料提供新的分子層面的見(jiàn)解和策略。

相關(guān)工作以“Surface Charge Modulated Hydrogel for Faster Atmospheric Water Harvesting”為題，發(fā)布在《Water Research》期刊上。（中科院一區(qū)TOP，JCR一區(qū)，IF=11.4）

02

相關(guān)數(shù)據(jù)

圖1： WHG的制備與表征

(a) WHG的制備流程。(b) 羧甲基殼聚糖（CMCS）和季銨化殼聚糖（QCS）的分子結(jié)構(gòu)。(c) 通過(guò)定向冷凍得到的WHG垂直排列多孔結(jié)構(gòu)的俯視圖和側(cè)視圖SEM圖像。(d) QCS、CMCS和WHG的FTIR光譜。(e) WHG–33和WHG–60的XPS譜圖。(i) WHG–33的C1s譜。(ii) WHG–60的C1s譜。(iii) WHG–33的N1s譜。(iv) WHG–60的N1s譜。

圖2. 表面電荷對(duì)大氣集水性能的影響

(a) 用于監(jiān)測(cè)吸附與脫附過(guò)程中相對(duì)濕度、溫度和重量變化的自制系統(tǒng)示意圖。(b) AWH測(cè)試期間自制容器內(nèi)部的溫度和濕度。(c) WHG-x的表面電勢(shì)與其組成之間的關(guān)系。(d) WHG內(nèi)部、WHG表面以及容器頂部空間對(duì)應(yīng)的溫度。(e) WHG內(nèi)部、表面溫度與自制容器頂部空間溫度的方差分析。(f) 2小時(shí)內(nèi)大氣集水容量與表面Zeta電位之間的關(guān)系。(g) 不同厚度WHG-25的集水性能（RH 90%，25.0 °C）。(h) 分為三個(gè)過(guò)程的QCM-D原理示意圖。(i) 顯示W(wǎng)HG-33和WHG-60吸附動(dòng)力學(xué)的QCM-D結(jié)果。

圖3. 揭示大氣集水動(dòng)力學(xué)機(jī)制的分子動(dòng)力學(xué)模擬

(a) 不同比例的CMCS和QCS凝膠化形成的不同電荷密度示意圖。(b) 近中性、帶正電和帶負(fù)電表面的水分子累積速率。(c) 水分子在近中性、帶正電和帶負(fù)電表面的結(jié)合能。(d) 水分子接近帶正電表面時(shí)的取向和能量變化。(e) 水分子接近近中性表面時(shí)的取向和能量變化。(f) （由DFT計(jì)算得出的）氫鍵供體數(shù)N_donor與界面水分子vO-H拉曼位移之間的關(guān)系。(g) 近中性表面上羧基、季銨基團(tuán)和水分子的空間分布。

圖4. WHG–25的集水性能

(a) 不同相對(duì)濕度下2小時(shí)內(nèi)的集水性能。(b) 不同溫度下2小時(shí)內(nèi)的集水性能（RH ~73%）。(c) 通過(guò)改變相對(duì)濕度引發(fā)的吸附與脫附過(guò)程。(d) AWH后WHG的水凈化潛力。(e) WHG–25的吸附-脫附循環(huán)。(f) 2小時(shí)內(nèi)集水容量的對(duì)比。

圖5. WHG-25的戶外大氣集水性能

(a) 戶外大氣集水示意圖。(b) 戶外實(shí)驗(yàn)中吸附實(shí)驗(yàn)的實(shí)景照片。(c) 陽(yáng)光下水分脫附與收集的實(shí)景照片。(d) 戶外集水實(shí)驗(yàn)9小時(shí)內(nèi)的溫度與相對(duì)濕度。(e) 戶外收集的水質(zhì)情況。

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研究結(jié)論

大氣水收集（AWH）正作為一種去中心化規(guī)模解決全球水資源短缺的有力替代方案而興起，水凝膠材料因其高吸附能力和靈活的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系而備受關(guān)注。實(shí)現(xiàn)理想的AWH性能通常需要結(jié)合多孔水凝膠和吸濕材料，這是一種廣泛采用的策略，但由于吸附動(dòng)力學(xué)有限，需要對(duì)水分子與聚合物骨架相互作用有深入理解。調(diào)節(jié)聚電解質(zhì)復(fù)合水凝膠的內(nèi)在AWH性能對(duì)于豐富其在淡水和能源收集中的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。本研究揭示，近中性帶電的表面有助于水分子接近并增強(qiáng)其穩(wěn)定性。我們發(fā)現(xiàn)更多水分子可以到達(dá)表面形成氫鍵，從而加速聚電解質(zhì)復(fù)合水凝膠的固有吸附動(dòng)力學(xué)。本研究揭示了水分子與表面化學(xué)之間的相互作用，深化了對(duì)AWH動(dòng)力學(xué)的理解，并有助于設(shè)計(jì)高性能吸附劑，加速實(shí)現(xiàn)SDG-6.1，確保普及安全飲用水的普及。

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10.1016/j.watres.2026.125330

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