宾夕法尼亚大学杨澍教授AFM：仿树莓微球开启太阳能驱动大气取水新时代

摘要：面对全球范围日益严峻的淡水资源短缺问题，如何实现高效并可持续的大气集水是材料与能源领域的研究热点。近日，宾夕法尼亚大学材料系杨澍教授课题组在国际顶级材料期刊 Advanced Functional Materials 上发表了最新研究成果，开发出一种具

面对全球范围日益严峻的淡水资源短缺问题，如何实现高效并可持续的大气集水是材料与能源领域的研究热点。近日，宾夕法尼亚大学材料系杨澍教授课题组在国际顶级材料期刊 Advanced Functional Materials 上发表了最新研究成果，开发出一种具备快速吸水与高再生性能的水凝胶干燥剂复合微球（NHDM）。这种材料不仅具有仿树莓的独特结构，更展示出良好的可放大性和实际应用潜力，为从空气中低成本、低能耗取水提供了新方案。

图1. 仿树莓结构微球的合成原理和电镜实拍图

本研究创新性地提出了一种“纳米—微米双重限域”的设计策略。研究团队利用中空纳米粒子作为载体，将高吸湿性的锂盐（LiCl）与丙烯酰胺单体共同封装其中，随后通过Pickering乳液技术将这些粒子组装成外壳富含纳米颗粒、内部为水凝胶核的仿树莓微球。这种独特的结构设计既大幅提高了材料的比表面积，又有效缩短了水分子在材料内部的扩散路径，极大提升了吸水速率。

图2. 不同限域结构对吸水速率的影响以及水分子扩散机理。

具体而言，在温度21°C、相对湿度65%的条件下， 1克含有50 wt %纳米粒子的NHDM-50微球在60分钟内便可吸附1.11克水分，71分钟内可达饱和吸水量的80%。相比之下，未添加中空纳米粒子的对照组材料需要超过5小时才能达到相同效果。此外，该材料表现出极佳的循环稳定性。在60°C、5%相对湿度条件下，仅需30分钟即可释放出吸附水的75%，连续16轮吸附-脱附循环后性能几乎无衰减，日均单位质量水产量可达13.6升每千克 NHDM-50微球。

图3. 材料吸水效果测试以及与文献结果的比较。

为了实现真正的户外应用，研究团队还开发了一种结合仿生设计与光热转化技术的水收集装置。灵感来源于向日葵种子的螺旋排列方式，研究人员在绝热性能优异的泡沫塑料基底上激光刻蚀出螺旋形槽位，并在其表面原位生长导电聚吡咯（ PPy ）作为太阳光吸收层，将仿树莓结构微球按螺旋顺序装填于槽中。这种排列方式不仅提升了干燥剂的装载密度，也有效避免了光照遮蔽现象，保证了每个微球都能高效进行太阳能驱动的水分释放。

图4. 复合材料的光热效应以及光驱动水释放。

在实验室环境中，该装置在吸水1小时、太阳照射30分钟后，每克干燥剂可释放0.69克水分，并成功收集到0.50克液态水，日均单位面积产水能力达到2.39升每平方米。与传统平铺方式相比，螺旋排列结构使产水效率提升了22%至34%不等。

更具实际意义的是，研究团队最终构建了一个由19个螺旋排列盘组成的大气水收集原型装置，并在2024年12月30日于费城宾夕法尼亚大学校园进行了全天候户外测试。尽管当日为冬季低温条件，该系统在自然光照下仍实现了总计6.82克水的收集，换算后相当于每天每平方米产水量为0.51升，展现出极强的环境适应能力。更令人欣喜的是，通过对收集水样的ICP-OES分析，结果显示其中Na ⁺ 、Mg² ⁺ 、Ca² ⁺ 等金属离子浓度远低于世界卫生组织饮用水标准，说明该系统不仅能从空气中取水，还具备获得安全饮用水的潜力。