上理工王佳韵/上海交大王如竹AFM: 用于超高效大气集水的生物质衍生水海绵

摘要：吸附式空气取水技术（SAWH）为全球淡水短缺难题提供了一种有前途的解决方案。其中肩负着吞吐水作用的吸附剂，是优化系统取水性能的关键之一。然而，大多数研究集中在如何提高吸附剂的吸附能力，而忽视了“吸附剂-水”间的相互作用，导致吸附剂存在脱附速率低或再生温度高的问

吸附式空气取水技术（SAWH）为全球淡水短缺难题提供了一种有前途的解决方案。其中肩负着吞吐水作用的吸附剂，是优化系统取水性能的关键之一。然而，大多数研究集中在如何提高吸附剂的吸附能力，而忽视了“吸附剂-水”间的相互作用，导致吸附剂存在脱附速率低或再生温度高的问题，致使SAWH系统受到解吸高能耗、效率低的严重限制。由此，迫切需要开发出吸附能力强且解吸性能优的新型吸附剂。

上海理工大学王佳韵副教授和上海交通大学王如竹教授合作，利用可持续生物质材料开发出了一种新型多孔“水海绵”基质（CPPY）。水海绵结合了水凝胶的高溶胀性、保水性以及海绵出色的水扩散能力，具备独特的水合行为。利用CPPY及吸湿盐LiCl制备出高效水海绵复合吸附剂CPPY@LiCl，在20%-90% 的相对湿度下，其吸水能力可达1.36-5.93 g/g。通过优化“材料-水”的相互作用，使吸附剂内部产生大量 “中间水”，由于这些中间水的氢键结合强度较弱，可大大降低解吸时的蒸发能耗。实验表明，CPPY@LiCl在低至50℃的解吸温度下，仍可在1小时内释放60%的吸附水（可从3.7 g/g解吸至1.5 g/g），表现出高效的解吸性能。在室外取水实验中，使用CPPY@LiCl的SAWH系统表现出 6.29 L/m2/day的出色集水性能。该研究对吸附剂内的水合行为进行了深入研究，在取得高取水量的同时实现高效解吸，为实现高效的太阳能空气取水技术提供了新的见解。相关论文“Biomass-Derived Hydro-Sponge for Ultra-Efficient Atmospheric Water Harvesting”发表在《Advanced Functional Materials》上，第一作者为上海理工大学硕士研究生林博文，通讯作者为上海理工大学王佳韵副教授与上海交通大学王如竹教授。

【水海绵复合吸附剂的制备与表征】

图1. CPPY和CPPY@LiCl的制备与表征。

研究团队利用生物质羧甲基壳聚糖(CMCS)、聚谷氨酸(PGA)以及聚乙烯吡咯烷酮(PVP)构建具有三重交联网络的多孔水海绵基质(CPPY)，同时加入光热转换材料聚吡咯(PPY)赋予材料光热转换能力，同时在制备过程中协同物理及化学发泡方式塑造了多孔通道。制备的CPPY多孔材料可达70%的孔隙率，通过表面及界面SEM图像证明其具有开放互联的多孔骨架，通过将吸湿盐LiCl负载至CPPY基质中以制备高效水海绵复合吸附剂CPPY@LiCl。

【吸水材料的水合行为研究】

吸湿材料根据其内部结构尺寸及水分子的结合强度可分为水凝胶、水海绵和海绵三类。当水分子与亲水链相互作用时，根据不同的结合强度可产生结合水、中间水和自由水。水凝胶具备较强的保水特性，通过强氢键作用储存水分子，大部分为结合水；海绵则主要通过范德华力和毛细作用储存水，大部分为自由水，且易在外力作用下释放内部的水。而水海绵介于两者之间，其独特的亲水聚合物网络可产生大量中间水和自由水。由于中间水的氢键结合强度最弱，处于活化状态，可大大降低水分子的蒸发能耗。实验表明，CPPY@LiCl的蒸发焓（1570 J/g）相较于纯水蒸发焓（2450 J/g）降低了40%。"弱键合-易释放"的水分子调控机制，为设计低能耗吸附剂提供了全新思路。

图2. 吸湿材料分类示意图。a) 水凝胶、水海绵和海绵中结合水、中间水和自由水状态下水分子的分布情况。b) 水凝胶、水海绵和海绵的内部结构尺寸和界面面积。

【水海绵的水管理行为研究】

水海绵CPPY展现出有趣的水管理行为，其独特的聚合物网络和开放多孔结构实现了水分的高效捕获、储存与可控释放。通过物理化学协同发泡构建的互连多孔通道（孔隙率70%，孔径20-50μm）为水分快速输运提供了路径，使材料能在10秒内完成溶胀并吸收40倍自重的水分。当受到外力挤压时，弹性聚合物骨架发生可逆形变实现水分释放；移除外力后，由于骨架弹性形变和材料的亲水性，可快速将释放到周边的水回收存储。通过拉曼光谱分析证实了水海绵及吸附剂中存在大量的中间水，这种特殊的水合状态为蒸发过程中的快速水分释放提供了关键优势。

图3. 水海绵的水管理行为研究。

【水海绵复合吸附剂的吸附-脱附特性】

CPPY@LiCl具有吸附量高、吸附-脱附速率快、稳定性及耐候性好、再生温度低等优点。CPPY@LiCl展现出卓越的气候适应能力：在20%-90% 的相对湿度下，其吸水能力可达1.36-5.93 g/g，并且可实现快速的吸附。对于SAWH的实际应用而言，吸附剂解吸性能也至关重要。实验表明CPPY@LiCl在不同温度、不同湿度、不同太阳辐照强度下均具备高效的解吸能力，值得注意的是，在50℃低解吸温度下，吸附剂在1小时内仍可释放60%吸附水（可从3.7g/g解吸至1.5 g/g），这归功于中间水主导的低蒸发焓特性。此外，CPPY@LiCl具有优异的循环稳定性和耐候性，经过多次吸附-解吸循环后仍保持稳定的吸脱附量及动力学，在UV加速老化后的吸脱附性能仍然良好；对比现有材料，CPPY@LiCl具备高吸附容量同时具有快速解吸特性，展现出优异的实际应用潜力。

图4. CPPY@LiCl的吸附-解吸性能。

【户外的取水性能测试】

为了验证CPPY@LiCl的实际取水效果，研究团队设计并搭建了一个结构简单、便于携带的小型吸附式空气取水装置，在上海理工大学校园进行了实地测试。采用"夜间吸附-日间分批解吸"策略，通过一天内四次批量化解吸循环，实现了6.29 L/m²/day的产水性能，且收集到的淡水满足WHO饮用水标准。

图5. CPPY@LiCl户外取水实验。

【文章小结】

该研究开发了新型生物质水海绵吸附剂CPPY@LiCl，展现出优异的环境适应能力，在20%-90%相对湿度范围内具有1.36-5.93 g/g的超高吸水性能。研究发现，多孔亲水聚合物骨架的水合作用产生大量弱结合的中间水分子，显著降低了水迁移所需能量，使其在50℃的低温条件下即可实现快速解吸。在户外实际测试中，应用CPPY@LiCl的SAWH系统展现出6.29 L/m²/day的突出集水性能。该研究对吸附剂内的水合行为进行了深入研究，使其兼具高取水量、高效解吸性能，为开发高效、低能耗的空气取水技术提供了新的视角和路径。

作者介绍：

第一作者–林博文：上海理工大学能源与动力工程学院硕士研究生，师从王佳韵副教授。主要从事吸附式空气取水的材料制备，装置热湿传递以及界面蒸发等方面的研究。

通讯作者–王佳韵：上海理工大学能源与动力工程学院副教授，博导，曾作为上海交大王如竹教授带领的ITEWA团队成员之一，长期从事空气取水、新型能源材料开发应用、热力学系统热湿传递等方面的研究。主持国家自然基金面上项目、青年基金项目。以第一/通讯作者身份发表Energy & Environmental Science，Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Nano energy, Device, Cell Reports Physical Science等30余篇高水平论文。入选中国科协“青年人才托举工程”、上海市启明星扬帆人才计划、晨光学者等，担任Elsevier能源类旗舰刊物Energy助理编辑，国际制冷学会青年理事，上海制冷学会青年理事，中国制冷学会会刊《制冷学报》青年编委。

通讯作者–王如竹：上海交通大学机械与动力工程学院讲席教授，全球高被引学者、国家基金委创新群体负责人、国家基金委重大项目负责人、国家杰青。主持完成的科研成果荣获2014国家自然科学二等奖、2010国家技术发明二等奖、2023国家科技进步二等奖、2009国家教学成果二等奖、2022何梁何利基金科学与技术创新奖等奖励；因在国际相关领域的突出贡献，荣获2023年全球能源奖（Global Energy Prize）、2019国际制冷学会最高学术奖Gustav Lorentzen奖章、2013英国制冷学会J&E Hall金牌、2018日本传热学会Nukiyama热科学纪念奖、2021国际能源署Rittinger国际热泵奖等奖励。