吸濕材料0310丨上海海事大學馮道倫團隊Small論文丨用于超高效空氣取水的超吸濕兩性離子聚電解質水凝膠

近日，上海海事大學海洋科學與工程學院馮道倫教授課題組在國際期刊《Small》發表題為“Super Moisture-Sorbent Zwitterionic Polyelectrolyte Hydrogel for Ultra-efficient Atmospheric Water Harvesting”（用于超高效空氣取水的超吸濕兩性離子聚電解質水凝膠）的學術論文。該團隊制備了一種具有增強附著力的兩性離子聚電解質水凝膠，并將其加載到陽極氧化泡沫鋁（AAF）的表面，從而得到LC-PIL-SO3Li-CNT@AAF。該復合材料具有高吸水容量以及低解吸溫度，且具有良好的循環穩定性，為緩解全球水資源短缺危機和優化農業用水提供重要參考。

第一作者：陳珍慧

通訊作者：馮道倫，梁智富

通訊單位：上海海事大學

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202514936

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基于吸附的空氣取水技術（SAWH）對緩解全球淡水短缺具有重要意義，但其效率依賴于吸濕材料。雖然容量和動力學得到了提高，但仍然面臨著高熱阻和傳質阻力的挑戰。在此，合成了一種具有增強附著力的兩性離子聚電解質水凝膠，并將其加載到陽極氧化泡沫鋁（AAF）的表面，從而得到LC-PIL-SO3Li-CNT@AAF。在相對濕度為90%時，LC-PIL-SO3Li-CNT@AAF的吸濕量達到16.33 g·ghydrogel?1，增加了322.02%。此外，該材料表現出優異的低溫解吸性能，在40℃條件下，經過2 h的解吸效率為83.34%。通過由二維平面吸附向三維傳質轉變，所開發的水凝膠復合體系顯著提高了傳熱傳質效率和吸附-脫附動力學，最終實現了超高吸濕能力和低溫高效脫附。作為概念驗證應用，在為期10天的戶外空氣取水試驗中，使用基于該復合材料的SAWH設備進行植物灌溉，展示了該材料在空氣取水技術中的實際應用潛力。該研究將為緩解全球水資源短缺危機和優化農業用水提供重要見解。

為了緩解淡水短缺，研究人員開發并應用了各種淡水采集技術。基于吸附的空氣取水（SAWH）作為一種靈活、高效的取水技術，能夠在不同時空條件下收集淡水，展現出廣闊的應用前景。高效吸濕材料作為空氣取水技術的核心，其性能直接決定了水資源獲取效率。然而，大多數復合吸濕性水凝膠僅依賴于吸濕性鹽的包裹。這些水凝膠不僅容易發生吸濕性鹽的滲漏，而且由于內部滲透壓遠低于吸濕性鹽溶液在吸收過程中產生的滲透壓，其膨脹性能明顯降低甚至喪失，影響其運輸和儲水的能力。針對以上問題，基于多孔框架（泡沫金屬/碳基材料/聚合物支架）的負載策略展現出獨特優勢，可有效提升吸濕材料的傳質與傳熱效率，從而顯著強化其吸濕與解吸性能。

1. 兩性離子水凝膠復合材料LC-PIL-SO3Li-CNT@AAF能夠有效地收集大氣中的水，在90%RH條件下，水凝膠的吸濕能力高達16.33 g·ghydrogel?1；

2. LC-PIL-SO3Li-CNT@AAF水凝膠復合材料表現出優異的低溫解吸性能，在40℃條件下，2 h內解吸效率可達83.34%。

3. 水凝膠與3D多孔泡沫鋁的結合產生了一種分層結構，極大地加快了質量/熱傳遞速率，最大限度地提高了水凝膠的優異吸收和解吸性能。

4. 在為期10天的現場測試中，復合材料使SAWH設備能夠有效地灌溉植物，突出了其在實際應用中的可行性。

圖1. LC-PIL-SO3Li-CNT@AAF的制備與特性。

圖2. LC-PIL-SO3Li-CNT@AAF的吸濕性能。

圖3.LC-PIL-SO3Li-CNT@AAF的解吸性能及穩定性。

圖4. LC-PIL-SO3Li的吸濕機理。

圖5.室外AWH灌溉試驗。

綜上所述，為了解決傳統水凝膠材料因自身結構限制難以突破吸濕極限的瓶頸問題，設計合成了一種新型的聚兩性水凝膠，并將其加載在AAF表面，獲得了一種具有分級孔隙度的新型復合材料（LC-PIL-SO3Li-CNT@AAF），該復合材料實現了超高的AWH性能。90%RH條件下的吸濕量為16.33 g·ghydrogel?1，比加載前的吸濕量增加了322.02%，遠遠高于目前報道的吸濕材料。同時，該材料體系在不同光強度（1 kW·m?2和0.5 kW·m?2）下表現出非常快的解吸動力學。此外，該材料在襯底間接加熱條件下表現出優異的低溫解吸性能，在40℃下，2 h的解吸效率為83.34%，比傳統的直接加熱方法提高4.88%。該復合材料的再生溫度遠低于大多數報道的吸濕材料，在相同的脫附溫度下，其脫附效率遠遠超過現有的吸濕水凝膠材料。此外，復合材料具有良好的循環穩定性，其超高效的吸濕解吸能力主要得益于水凝膠本身的親水性磺酸鋰基團、正離子位和強滲透壓差，以及泡沫鋁的三維多孔框架實現了高效的傳質傳熱。結合這些優勢，我們進一步設計了室外空氣取水和太陽能驅動解吸裝置，進行了為期10天的空心菜灌溉連續試驗。該復合材料僅依靠自身的吸濕性和水分釋放能力，在植物生長周期內實現了穩定的供水，在現代農業灌溉中具有應用潛力。本研究設計了一種新型的水凝膠，負載在三維多孔、高導熱基板表面，實現了高效的傳質和傳熱，并實現了超高的吸濕和解吸能力。這為突破傳統吸濕材料的性能瓶頸和開發新型高效吸濕材料提供了新的見解。它還為離網和干旱地區的可持續淡水供應提供了可靠的技術途徑。

Zhenhui Chen,Jingsong Feng, Yanpeng Cui, Fang Wei, Leyang Guo, Daochuan Jiang, Yue Lin, Junjie Zhang, Yang Yang, Daolun Feng, Zhifu Liang. Super Moisture-Sorbent Zwitterionic Polyelectrolyte Hydrogel for Ultra-Efficient Atmospheric Water Harvesting. Small, 2026,https://doi.org/10.1002/smll.202514936

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撰稿：陳珍慧

編輯：環境與能源功能材料

審核：梁智富

馮道倫，上海海事大學教授，博導，現任海洋科學與工程學院黨委副書記、院長。任第三屆交通部交通運輸環境保護標準化委員會委員，第十七屆上海九三科技專委會委員、第二屆上海市節能工程技術協會理事等。主要從事：海洋環境工程教學研究工作，在船舶及海事熱點污染物的監測，風險評估和治理技術、空氣取水的基礎及應用研究等方面取得了重要成果，主持國家重點研發計劃重點專項子課題等重要課題。

梁智富，上海海事大學副教授，碩導。主要從事：環境功能材料相關教學研究工作，在二維有機（金屬）聚合物的能源環境應用方面取得了重要成果，主持省部級人才項目重要課題，發表多篇SCI論文。

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