摘要：全球淡水短缺是21世纪最紧迫的挑战之一，尤其是在干旱和半干旱地区。传统的水资源供应方式如海水淡化和废水回收受限于高能耗和资源依赖，难以大规模推广。大气水收集（AWH）技术作为一种分散式、地点无关的解决方案，能够直接从空气中提取水蒸气，但其发展仍面临吸附剂在高吸

全球淡水短缺是21世纪最紧迫的挑战之一，尤其是在干旱和半干旱地区。传统的水资源供应方式如海水淡化和废水回收受限于高能耗和资源依赖，难以大规模推广。大气水收集（AWH）技术作为一种分散式、地点无关的解决方案，能够直接从空气中提取水蒸气，但其发展仍面临吸附剂在高吸湿量、快速解吸与低能耗再生之间难以兼顾的难题。

近日，南京林业大学陆依副教授提出了一种多尺度复合材料，通过协同垂直排列的脱木素质木材（DW）微通道、微孔MOF-801域和热响应性PNIPAM-MXene界面，实现了高效的大气水收集与低能耗释放。该材料在湿度条件下吸水率达0.82 g/g，并在模拟太阳光下释放约93.9%的吸附水，分子模拟进一步证实了其通过破坏氢键促进水释放的机制。相关论文以“Synergistic Structural Alignment and Interfacial Switching Enable Fast and Low–Energy Water Release in Solar–Driven Atmospheric Water Harvesting”为题，发表在

图1. 大气水收集器（DWM-PM）系统的概念设计。a) DWM-PM在吸附-解吸过程中的工作原理图。b) 大气水收集装置可在夜间吸水并在白天阳光下解吸。

研究团队首先通过化学处理制备了垂直排列的脱木素质木材微通道，成功去除了木质素，增强了亲水性，为MOF-801的限域生长提供了理想基底。FTIR和XRD分析证实了木质素的有效去除和MOF-801的成功合成，氮气吸附-脱附测试显示其比表面积从1.5 m²/g显著提升至234.2 m²/g。SEM和EDS图像显示MOF纳米颗粒均匀分布在木材通道内，Zr元素分布均匀。随后，通过将MXene纳米片与PNIPAM结合，构建了具有光热响应和动态润湿性调控功能的界面层，XPS分析验证了PNIPAM-MXene的成功组装。

图2. DWM-PM的制备与应用。a) DWM-PM的制备流程。b) Ti₃C₂Tₓ的制备过程。c) PNIPAM-MXene的结构变化机制与亲水-疏水转变特性。

图3. NBW、DW、DWM、DWM-PM的表征。a) FTIR光谱。b) XRD图谱。c) N₂吸附-脱附等温线。d–g) NBW、DW、DWM、DWM-PM的横截面SEM图像。h–k) 纵截面SEM图像。i) DWM-PM纵截面的EDS元素分布图。m) XPS光谱。

该复合材料在80%相对湿度下达到0.82 g/g的吸水率，显著高于未修饰样品。吸附动力学符合Fickian扩散模型，扩散系数随湿度升高而增加。在解吸过程中，PNIPAM-MXene界面在光照下发生亲水-疏水转变，接触角从38°升至95°，显著降低了水解吸的活化能（降低约19%），并在1小时内实现94.4%的解吸效率。循环测试表明材料具有良好的稳定性，10次循环后仍保持96%的初始吸附容量。

图4. 复合材料的水蒸气吸附、动力学与循环稳定性评估。a) 不同MOF-801前驱体条件下DWM的性能研究。b) 在24°C、80% RH（吸附）和20% RH（解吸）下的时间-吸水量与解吸曲线。c) 阿伦尼乌斯曲线计算表观活化能（Eₐ），证实DWM-PM解吸能垒降低。d) 不同RH条件下的动力学吸附曲线。e) Mₜ/Mₑ与t¹/²关系图展示Fickian扩散行为及提取的扩散系数。f) 连续吸附-解吸循环显示良好的长期稳定性。g) 温度依赖性接触角测量显示PNIPAM在LCST附近诱导的亲水-疏水转变。h) 本研究DWM-PM复合材料（红色星号）与文献中代表性AWH系统在不同RH下的吸水性能对比。

在光热性能方面，DWM-PM在1太阳光照射下表面温度迅速升至68°C，光热转换效率达96.1%，远高于对比样品。温度升高触发PNIPAM相变，促进水分子从MOF微孔中释放。时间分辨质谱分析显示，水解吸速率与光照强度正相关，进一步证实了光热-热响应协同机制的有效性。

图5. 光热行为与太阳能触发的水释放性能。a) NBW、DW、DWM-M和DWM-PM在1太阳光下120分钟内的红外热成像温度对比。b) DWM-PM表面温度时空分布的3D可视化图。c) 模拟阳光下DWM-PM的太阳能驱动水释放示意图。d) UV-Vis-NIR吸收光谱显示PNIPAM-MXene接口的宽谱光捕获能力。e) DWM、DWM-M和DWM-PM的水解吸效率与光热转换效率（PCE）变化曲线。f) 不同光照强度下的质量变化与水释放速率曲线。g) 不同太阳辐射强度下DWM-PM的表面温度曲线。h) 与代表性MOF基材料的太阳能驱动水释放性能对比。

分子动力学模拟从原子层面揭示了水释放机制：在DWM-PM系统中，PNIPAM的相变动态破坏水分子与材料间的氢键网络，使水分子扩散系数提高约16.5倍，从而显著加速水解吸过程。这一机制与实验观察到的活化能降低和高解吸效率高度一致。

图6. 分子动力学模拟揭示分层复合材料中的水释放机制。a) DWM中水分子分布快照显示MOF微孔和纤维素界面由氢键锚定的密集水合网络，1000 ps内仅中等数量水分子释放（Loos = 234）。b) DWM-PM中PNIPAM-MXene接口在加热后触发熵驱动的线圈-球状转变，动态破坏界面氢键并主动排出结合水，导致释放分子数增加约1.5倍（1000 ps时Loos = 359）。底部示意图为系统组分的原子模型。c) DWM和DWM-PM系统中限制水分子的均方位移（MSD）随时间变化曲线。d) DWM和DWM-PM的水分子逃逸曲线。

最后，团队构建了双室原型机进行实地测试，模拟“夜间吸附-白天解吸”的自然循环。在自然光照下，材料表面温度超过68°C，成功触发水释放并在冷凝表面收集液态水。在7天的户外测试中，晴天平均收集水量为0.32 g/g，较阴天提高88.4%，展现出良好的环境适应性和实际应用潜力。

图7. 户外演示与太阳能驱动大气水收集的实际评估。a) 装载DWM-PM的可调式原型收集器照片。b) 在南京林业大学校园进行的24小时野外试验示意图与实验 setup。c) 环境温度、相对湿度和太阳辐射通量的实时监测。d) 太阳能驱动解吸过程中收集器内表面水雾形成与液滴 coalescence 的视觉跟踪。e) 不同模拟太阳强度下吸附、解吸和收集水的质量。f) DWM-PM在7个循环中的户外集水性能。

该研究通过多尺度结构设计与界面协同，成功克服了大气水收集材料在吸附容量与再生能耗之间的传统矛盾，为干旱地区提供了可持续、低能耗的淡水解决方案，具有广泛的推广应用前景。

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来源：鑫鑫说科学