一种基于复合聚合物的水凝胶系统，用于太阳能驱动的大气水收集与电力生成

《Water Research》：An Integrated Copolymer-Based Hydrogel System for Solar-Driven Atmospheric Water Harvesting and Electricity Generation

　　宁安|张文轩|刘恒通|崔宇昭|王志宁|邱杰山|李倩 中国山东省复杂多媒体污染协同控制重点实验室、山东省环境过程与健康重点实验室，山东大学环境科学与工程学院，青岛，266200 摘要 基于吸附的大气水收集技术为缓解全球淡水短缺问题提供了有力解决方案，尤其适用于无电网覆盖地区，因为它无需依赖集中式基础设施。然而，开发出既能实现高水分吸收率、快速解吸动力学又具有长期稳定性的吸附剂仍是一项挑战。本文报道了一种新型复合水凝胶吸附剂（PADCL），该材料通过将丙烯酰胺与[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基-(3-磺丙基)氢氧化铵共聚物网络与氯化锂以及由碳化并经酸处理的羧甲基壳聚糖衍生的光热生物炭相结合而制成。优化后的亲水基团分布和交联结构有效避免了传统水凝胶在高盐度环境下的盐致密度增加问题，从而显著提升了整体大气水收集性能。实验结果表明，PADCL在30%至90%相对湿度范围内具有出色的平衡吸水能力，吸水量介于1.21至4.53克/克之间。在1.0太阳辐照强度下，30分钟内可释放86%的吸附水，结合热电模块后可实现0.59瓦/平方米的功率输出密度。户外规模化测试表明，该技术每天可收集5.31升/平方米的水，且所得水质符合国际标准，可用于无电网地区的生菜种植。这项工作提出了一种高效且可扩展的材料设计策略，用于高性能大气水分捕获，并强调了其在解决水资源、能源和粮食安全等相互关联问题方面的潜力。引言 在气候变化加剧和人口持续增长的双重压力下，淡水供应与需求之间的矛盾日益突出，淡水短缺已成为阻碍全球可持续发展的关键因素（Lord等人，2021年）。然而，传统的集中式淡水生产技术受到地理限制和水资源分布不均的制约，难以满足内陆、（半）干旱地区及无电网覆盖区域的用水需求（Ding等人，2025年）。因此，开发基于非常规水源的分散式淡水生产技术已成为当务之急（Fang等人，2025年；Tu等人，2018年）。大气水储量丰富，约为13,000立方公里，占全球淡水资源的10%，以大气蒸汽和凝缩液滴的形式广泛存在，为不受地理限制的淡水生产提供了可持续的资源基础（Wang等人，2025年）。近年来，基于吸附的大气水收集技术利用吸附材料的吸湿性捕获水分，并借助低级热能，尤其是太阳能，驱动解吸-凝结过程，无需外部电力支持（Zhou等人，2024年）。这种可持续且适用范围广的技术为缓解全球淡水短缺问题提供了有效解决方案，尤其适用于水资源匮乏的无电网地区。为了高效从大气中捕获水蒸气，高性能吸湿材料的研究已成为当前科学研究的重点方向（Duan等人，2026年；Liu等人，2025a年）。理想的吸附剂应具备高吸湿性（确保有效捕获水蒸气）、快速的吸放湿动力学（提高集水效率）以及良好的运行稳定性（便于长期实际应用）（Xia等人，2023年）。由于对水分有很强的亲和力，吸湿性无机盐（如氯化锂和氯化钙）在水蒸气吸附领域受到了广泛关注（Bilal等人，2022年）。然而，这些无机盐在运行过程中容易因潮解而发生团聚，从而严重损害材料的结构完整性及其吸湿性能的持续性（Ma等人，2026年）。为克服这一难题，研究人员致力于开发基于吸湿性盐类的多孔复合材料。通过利用载体基质的空间约束效应，这类复合材料能够有效固定盐类，同时支撑材料的多孔结构可提升水蒸气的传质效率（Guo等人，2023年；Shi等人，2025年）。目前常用的载体材料包括传统无机吸附剂、新型多孔晶体材料以及聚合物基基质。其中，虽然硅胶和沸石等传统无机吸附剂成本较低且制备工艺成熟，但它们的吸附能耗往往过高。金属有机框架和共价有机框架虽具有较高的比表面积和可调控的孔结构，但由于原材料成本高昂且合成流程复杂，难以大规模应用（Li等人，2026b年；Luo等人，2024a年；Wei等人，2026年；Zhang等人，2025年）。值得注意的是，水凝胶作为一种由聚合物链交联形成的三维网络，不仅易于获取且可能具有成本优势（Guo等人，2025b年），还具备优异的溶胀性能和强大的保水能力（Anthis等人，2021年；Wang等人，2024年；Zeng等人，2023年）。将吸湿性盐类引入水凝胶基质中，不仅可以充分利用这些盐类的强吸湿性，还能保持水凝胶的结构稳定性，从而实现高效的水蒸气捕获和原位液化，同时借助聚合物网络的高效储水能力进一步提升整体吸湿能力（Mao等人，2026年）。因此，这种方法被视为开发大气水分捕获材料的一种极具前景的策略（Ejeian和Wang，2021年）。不过，在传统的聚合物水凝胶基质中，高盐负荷会中和聚合物链上的电荷，降低链段间的静电斥力，导致链状结构卷曲、团聚以及水凝胶网络的密度增加。同时，过量的盐离子还会因水合平衡失调而沉淀（Zhou等人，2025a年）。这两种效应不仅会严重削弱水凝胶的溶胀能力，降低其内部的水传输效率，还会降低其储水能力，最终降低材料的整体水蒸气吸附能力（Yan等人，2024年）。为克服这些局限，两性离子聚合物因其独特的盐响应特性而备受关注（Yu等人，2026年）。由于这类聚合物的骨架同时带有正负电荷功能基团，盐离子的引入可以有效屏蔽静电吸引力和疏水相互作用，从而使链结构伸展，提高溶解度，进而提升材料的溶胀能力和吸湿性能（Du等人，2025年）。然而，目前所报道的两性离子水凝胶基吸附剂大多依赖于纯两性离子网络或复杂的孔结构调控策略，其机械强度较差，限制了其持续的吸水能力。此外，由于缺乏光热转换装置，这类吸附剂在解吸过程中仍需依赖外部热源，无法实现被动运行（Guo等人，2025c年）。因此，开发兼具高溶胀比、快速吸放湿动力学以及优异循环稳定性的复合水凝胶吸附剂，是下一代大气水收集材料设计的重要准则。此外，目前大多数大气水收集系统仍侧重于集水性能，仅采用单一的能量利用方式，导致系统整体效率较低（Duan等人，2026年；Wu等人，2026年）。在太阳能驱动的光热解吸过程中，大气水收集材料吸收的太阳能中只有一部分用于驱动水的相变，而剩余的大量低级热能则会在后续冷却或自然散热过程中直接散失到环境中，造成严重的能量浪费，限制了大气水收集系统的能源效率提升（Guo等人，2024年；Yang等人，2026a年）。热电发电技术可以将温度差直接转化为电能（Fu等人，2024年），非常适合利用大气水收集材料的光热吸收层与环境之间的温度梯度，在光热解吸过程中实现低级废热的回收和电能的产生（Zheng等人，2026年）。因此，将大气水收集系统与热电发电技术相结合，有望在保持集水性能的同时实现电能生成，显著提升系统整体的能源利用效率。本文报道了一种基于丙烯酰胺与[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基-(3-磺丙基)氢氧化铵共聚物网络，并掺杂有经碳化并酸处理过的羧甲基壳聚糖衍生的生物炭且负载有氯化锂的新型水凝胶复合吸湿材料（PADCL），可用于高效的大气水收集（图1a）。在该系统中，基于丙烯酰胺的交联网络凭借其优异的亲水性和机械稳定性，为整个材料提供了坚实的结构支撑。DMAPS链中的磺酸基团通过静电作用与锂离子形成稳定的配位结构，从而将盐离子有效地固定在聚合物基质中，防止盐类团聚和泄漏。通过将CMCS-CW的多孔结构和光热性能与氯化锂的高吸湿性相结合，PADCL能够高效捕获水分，并在太阳能驱动下快速释放水分。实验结果表明，PADCL在30%相对湿度下的平衡吸水量为1.21克/克，在90%相对湿度下则为4.53克/克。在1.0太阳辐照强度下，30分钟内可释放86%的吸附水，显示出快速的光热驱动解吸动力学。进一步结合热电模块后，可以利用PADCL材料表面高温区与低温区之间的温度梯度，将热能直接转化为电能，在1.0太阳辐照强度下可实现0.59瓦/平方米的功率输出密度。规模化实验表明，在实际阳光条件下，PADCL每天可收集5.31升/平方米的大气水。这些收集到的水可用于无电网地区的生菜灌溉，其中金属盐离子浓度符合世界卫生组织规定的饮用水质量标准。因此，这项研究不仅为高性能吸湿材料的设计提供了新思路，还为解决全球水资源、能源和粮食短缺问题提供了可行的技术路径（图1b）。部分内容 化学品与材料 所有试剂均直接使用，未进行进一步纯化。相关详细信息见补充信息的附录S1。PADCL的制备 将丙烯酰胺粉末与DMAPS粉末按1:1的质量比混合，然后在搅拌条件下依次加入不同比例的CMCS-CW溶液（0、0.02重量%、0.05重量%和0.1重量%），之后进行5分钟的超声处理。接着依次加入浓度为4克/升的引发剂APS和8克/升的交联剂MBA。随后对混合物进行净化。PADCL的表征与性能 采用扫描电子显微镜对这种水凝胶基复合吸湿材料的微观形态进行了表征（图S1）。如图2a所示，经过自聚合和冷冻干燥后，PADCL水凝胶形成了结构清晰的三维多孔网络，其比表面积为10.45平方米/克（图S2）。这种结构使得材料在吸放湿循环过程中能够实现可逆的膨胀和收缩，为水分传输提供了高效通道。结论 在本研究中，成功制备了一种基于丙烯酰胺/DMAPS共聚物网络、用于太阳能驱动大气水收集的新型复合水凝胶吸湿材料（PADCL）。性能测试结果显示，经过10小时吸水后，PADCL在30%相对湿度下的最大平衡吸水量为1.21克/克，在90%相对湿度下则为4.53克/克。分子动力学和密度泛函理论计算结果表明，PADCL共聚物网络通过提升水分的可达性，实现了高容量的水吸收。作者贡献声明 宁安：撰写——初稿、概念设计、数据整理、研究实施、方法设计。张文轩：验证、软件应用、概念设计。刘恒通：方法设计、软件应用、研究实施。崔宇昭：研究实施、可视化分析、定量分析。王志宁：软件应用、监督、资源协调、数据整理。邱杰山：方法设计、监督、资源协调、项目管理。李倩：软件应用、验证、监督、撰写——审稿与编辑、资金筹集。数据可用性 数据将在收到请求后提供。作者贡献声明 宁安：撰写——初稿、方法设计、研究实施、数据整理、概念设计。张文轩：验证、软件应用、概念设计。刘恒通：软件应用、方法设计、研究实施。崔宇昭：可视化分析、研究实施、定量分析。王志宁：监督、软件应用、资源协调、数据整理。邱杰山：监督、资源协调、项目管理、方法设计。李倩：撰写——审稿与编辑、验证、监督、软件应用、资金筹集。利益冲突声明 作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢 本研究得到了中国国家自然科学基金（U22A20423）和山东省泰山学者基金（编号tsqn202312039）的支持。这项工作还得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3208003和2025YFF1503700）、深圳市基础研究计划（JCYJ20240813101101002）以及广东省基础与应用基础研究基金（2026A1515012513）的资助。