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第一作者：郭瀚宇
通讯作者：覃小红教授、张雪萍研究员
通讯单位：东华大学
论文DOI：https://doi.org/10.1002/adma.202414285
基于吸附的大气集水技术（SAWH）在缓解全球水资源短缺，特别是干旱地区的水资源短缺方面展现出巨大潜力。盐基复合材料是SAWH中广泛使用的吸附剂，但其制备过程复杂，难以避免盐分泄漏。此外，集水过程中产生的大量热量往往被忽视并浪费。在此，我们开发了一种综合策略，利用氯化锂（LiCl）与多巴胺（DA）的螯合作用以及多巴胺在三聚氰胺海绵（PMS）上的同步聚合，合成了基于盐的稳定型超吸湿海绵。所制备的LiCl/PMS/CNTs（碳纳米管）复合材料在相对湿度（RH）为15%和30%时，吸湿率分别高达1.26 g g-1和1.81 g g-1，且在吸湿过程中未观察到盐分泄漏。在干旱环境（30% RH）下，该材料可实现每日3.47 kg kg-1的显著产水量。此外，通过将LiCl/PMS/CNTs与热电模块结合，我们成功构建了一个双功能系统，以充分利用SAWH过程中产生的热量，实现淡水和电力的同时生产。在吸湿和释水过程中，该系统的最大输出功率密度分别高达35.4 mW m-2和454.4 mW m-2。太阳能驱动的吸附式空气取水（SAWH）技术，作为一种前景广阔的方法，为解决干旱地区水资源短缺问题提供了有效途径。其性能的优劣主要取决于吸附剂的吸湿能力。高负载量的盐基复合吸附剂在低湿度条件下展现出优异的吸湿能力，是目前较为常用的吸湿材料。然而，高盐含量在长期吸湿过程中可能引发盐泄漏风险。为应对这一挑战，一些研究提出了改变吸附剂结构的策略，如采用封装和夹层结构等。然而，这些方法的制备过程相对复杂，能耗较高，同时它们还增加了吸湿性盐与空气接触的阻碍，还可能导致吸湿性盐分散不均和团聚现象，进而降低吸湿能力和动力学性能。因此，探索一种简便的方法，以开发出具有适当盐含量且盐分布均匀的复合吸附剂，显得尤为重要。另一方面，在SAWH过程中，会产生大量的额外热量，包括吸附热和未充分利用的太阳热能。这些热量往往被忽视，但考虑到干旱地区普遍存在的电力短缺问题，设计一种能够利用这些热量进行发电并同时生产淡水的系统，无疑具有重要意义。这样的系统不仅能够提高能源利用效率，还能为干旱地区提供可持续的电力和淡水资源，从而有效应对水资源短缺和能源短缺的双重挑战。首先，为了简化盐基复合材料的制备流程并有效防止盐泄漏问题，作者创新性地采用了一种高效便捷的集成策略。该策略巧妙结合了氯化锂（LiCl）与多巴胺（DA）的螯合反应，以及多巴胺在三聚氰胺海绵（PMS）骨架上的原位聚合，成功制备出了性能稳定的盐基超吸湿海绵。为了进一步提升太阳能向热能的转换效率，我们还将碳纳米管（CNTs）与LiCl和DA共同引入，最终构建出具有三维互连多孔结构的LiCl/PMS/CNTs复合海绵。所制得的LiCl/PMS/CNTs海绵展现出了卓越的吸湿性能，在相对湿度（RH）分别为15%和30%的条件下，其吸湿量分别高达1.26 g g-1和1.81 g g-1，且在吸湿解吸全过程中未出现任何盐泄漏现象。在相对湿度为30%的干燥环境中，该系统更是实现了每日高达3.47 kg kg-1的显著产水量。随后，作者巧妙地将LiCl/PMS/CNTs复合海绵与热电模块相结合，成功打造出一个兼具淡水生产和电力输出的双功能系统。该系统能够充分利用太阳能驱动的大气水收集（SAWH）过程中产生的热量，从而在吸湿和解吸两个过程中分别实现了高达35.4 mW m-2和454.4 mW m-2的最大输出功率密度。![]()
图1.
LiCl/PMS/CNTs的合成与表征。（a）LiCl/PMS/CNTs的合成示意图。（b-d）LiCl/PMS/CNTs的扫描电子显微镜（SEM）图像。（e）MS、PDA、PMS和LiCl/PMS/CNTs的红外光谱（FTIR）图。（f）LiCl/PMS/CNTs的高分辨率N1s X射线光电子能谱（XPS）图。（g）LiCl/PMS/CNTs的高分辨率O1s XPS图。![]()
图2.
LiCl/PMS/CNT的吸湿性能。（a）在25℃、85%相对湿度（RH）下，不同LiCl负载量的LiCl/PMS/CNTs的吸湿率。（b）在25℃、30%RH下，LiCl/PMS/CNTs和LiCl/MS的吸湿率。材料厚度：2毫米。（c）使用动态蒸汽吸附仪（DVS）在25℃下，不同相对湿度下LiCl/PMS/CNTs的动态吸湿性能。（d）LiCl/PMS/CNTs的吸湿率变化导数。插图：130-230分钟时间间隔内的吸湿速率。（e）在15%和30%RH下，与最先进的吸附剂相比的吸湿速率。（f）不同温度下LiCl/PMS/CNTs的吸湿等温线。（g）本文工作与先前报道材料的吸湿能力比较。（h）LiCl/PMS/CNTs的循环性能。吸附在25℃、30%RH下进行，解吸在70℃的烘箱中进行。（i）LiCl/PMS/CNTs中水滴（白色圆圈）生长、合并和迁移的光学显微镜图像。比例尺：300微米。![]()
图3.
LiCl/PMS/CNTs的解吸性能。（a）MS、PMS、LiCl/PMS和LiCl/PMS/CNTs的紫外-可见-近红外光谱。（b）在0.6倍太阳辐射、0.8倍太阳辐射和1倍太阳辐射下，原始吸湿率为4.5 g g-1的LiCl/PMS/CNTs的表面温度变化。（c）不同辐射强度下LiCl/PMS/CNTs的红外图像。（d）不同辐射强度下LiCl/PMS/CNTs的水解吸测量。（e）太阳驱动水释放过程中LiCl/PMS/CNTs的重量变化导数。（f）模型展示了太阳驱动蒸汽蒸发过程中LiCl/PMS/CNTs内部液态水的传输。![]()
图4.
LiCl/PMS/CNTs的大气集水（AWH）性能。（a）在模拟干旱条件（30℃，30%相对湿度）下，24小时内进行5次集水循环。整个过程设计如下：一个长循环包括12小时的吸附和3小时的解吸，接着是3个短循环（每个循环1小时吸附和1小时解吸），最后是一个短循环（1小时吸附和2小时解吸）。所有解吸过程均在1倍太阳辐射下进行。有浅蓝色阴影和无阴影的区域分别代表吸附和解吸过程。（b）2023年8月2日，在中国上海，环境相对湿度下，该装置在一天内的累计产水量以及每个循环测量中的集水量。（c）我们的装置与其他工作的产水率比较。（d）收集的水样中测得的离子浓度、总有机碳（TOC）和总氮（TN）。图5. 同时实现大气水生产和发电。（a）LiCl/PMS/CNTs在不同时间暴露于环境后的红外照片。（b）结合了LiCl/PMS/CNTs、热电模块和温度控制器的双功能装置示意图。（c）在约20℃、60%相对湿度下，吸湿过程中产生的电能、吸附剂表面的质量变化和温度变化。（d）在1倍太阳辐射下水释放过程中产生的电能、吸附剂表面的质量变化和温度变化。（e）I-V曲线及其对应的输出功率密度。（f）3个循环（每个循环包括30分钟吸湿和30分钟放水）中的输出电压和温度变化。综上所述，本研究提出了一种简单有效的综合方法，利用LiCl与多巴胺（DA）的螯合作用以及多巴胺在互连多孔的三聚氰胺海绵（MS）上的同时聚合，制备了LiCl均匀分布的稳定盐基复合吸附剂。所制备的具有三维互连多孔结构的LiCl/PMS/CNTs海绵，在15%、30%和60% RH下，分别展现出1.26、1.81和3.13 g g-1的超高吸湿率，并且在30% RH下，第一小时的吸湿速率极快，达到1.36 g g-1 h-1。此外，LiCl/PMS/CNTs在1倍太阳辐射下70分钟内即可释放90%的吸附水，这比其他报道的基于LiCl的复合材料快得多。在模拟干旱条件（30℃，30% RH）下，基于LiCl/PMS/CNTs的集水装置表现出每天3.47 kg kg-1的优异产水量。此外，作者成功地将LiCl/PMS/CNTs海绵与热电模块结合，构建了一个双功能系统，以充分利用集水过程中产生的热量，从而实现了淡水和电力的同时生产。这项工作为开发便携式、低成本、高产量的太阳能驱动的自给自足型大气水收集（SAWH）系统以及更合理的水电联产开辟了一条新途径。本研究为实现随时随地可持续的淡水生产和发电提供了一种有前景的方法。郭瀚宇，东华大学纺织学院博士研究生，研究方向为基于静电纺丝多孔复合吸附剂的制备及空气集水机理性能研究。张雪萍，博士，东华大学纺织学院特聘研究员、博士生导师，上海市海外高层次人才。2017年博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所（导师：董绍俊、由天艳），之后在新加坡国立大学进行博士后研究工作。主要从事功能纤维材料和智能纺织品的设计、制备及应用研究，目前已在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Sci.等国际著名学术期刊上发表SCI论文50余篇，总引用超过3800次，h-index为32，研究工作被新加坡海峡时报、新加坡亚洲新闻台、新传媒8频道等多家海外媒体进行专题报道，受邀撰写专著章节4章，授权国际发明专利2项。覃小红，东华大学纺织材料与纺织品设计学科教授，博士生导师。现任东华大学纺织学院院长，中国棉纺织行业协会监事，中国科协第十次全国代表大会代表。一直致力于多维度微纳米纤维集合体介质诱导成形理论与技术产业化研究。获国家技术发明奖二等奖1项，中国纺织工业联合会科技进步一等奖2项，获第十六届中国青年科技奖。此外，获2008年全国优秀博士学位论文，先后入选教育部新世纪人才计划、霍英东基金、上海市曙光学者、上海市科技启明星、中国纺织学术带头人、中国纺织青年科技奖、上海市“三八红旗手”等。主持国家科技支撑计划、国家重点研发项目子课题，国家自然科学基金项目6项，以及上海市教委创新计划重大项目等50余项；发表学术论文200余篇，近五年以第一或通讯作者在Nat. Commun., Adv. Mater. Angew. Chem. Int. Ed.,
Energy. Energy Environ. Sci., Adv.,
Funct. Mater.等国际Top一区期刊发表文章40篇，主编部委级规划教材3部。获授权国家发明专利78项，获纺织科技成果转化贡献奖、第二十二届中国专利奖。欢迎关注我们，订阅更多最新消息![]()
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