摘要：在全球气候变化、人口增长和工业化加剧的背景下，淡水短缺已成为人类可持续发展面临的严峻挑战。联合国预计，到2050年，全球近一半人口将面临水资源短缺问题。大气水收集（AWH）技术，特别是太阳能驱动的吸附式大气集水（SS-AWH），因其零能耗特性而在干旱地区和海岛

在全球气候变化、人口增长和工业化加剧的背景下，淡水短缺已成为人类可持续发展面临的严峻挑战。联合国预计，到2050年，全球近一半人口将面临水资源短缺问题。大气水收集（AWH）技术，特别是太阳能驱动的吸附式大气集水（SS-AWH），因其零能耗特性而在干旱地区和海岛社区显示出广阔应用前景。然而，该技术严重依赖持续稳定的太阳光照，在实际应用中受昼夜、阴雨等天气条件限制，集水效率显著下降，极大地制约了其全天候和多场景应用。

西北工业大学李炫华教授、冯蕊副教授研究团队开发出一种新型双模式生物基Janus气凝胶（DBJA），通过整合太阳能驱动和机械压缩两种水释放路径，实现了高效、全天候、多场景的大气水收集。该材料在充足光照下户外集水效率达1.32 g g⁻¹ day⁻¹，在无光照条件下通过5次吸附-压缩循环可产出12.80 g g⁻¹的水，体积恢复率达98%，且具有50次循环的稳定性。DBJA通过增强的物理嵌入和多重化学作用有效抑制锂离子泄漏，所收集的水质符合世界卫生组织饮用水标准，为超越太阳能依赖的可持续大气水收集提供了新方案。 相关论文以“ Solar-Mechano Symbiosis Dual-Mode Janus Bioaerogel for Context-Adaptive Atmospheric Water Harvesting Beyond Solar Reliance ”为题，发表在

DBJA以羟丙基纤维素（HPC）和魔芋葡甘聚糖（KGM）为基底，通过氢键交联构建三维网络结构，并引入氯化锂（LiCl）提升吸湿性能。其Janus结构通过FeCl₃局部负载和吡咯气相聚合形成聚吡咯（PPy）光热层，并经植酸（PA）修饰为超亲水表面。该结构不仅优化了光热与吸湿层之间的传质与传热，还通过静电作用和配位键牢固锚定LiCl，抑制盐分聚集和流失。

图1展示了DBJA的设计原理与性能优势。亚洲部分地区湿度分布图和中国典型城市日照时长数据揭示了湿度与太阳辐射之间的时空不匹配性，强调了开发太阳能非依赖型集水技术的紧迫性。图1c–e示意DBJA在不同天气下的双模式运行机制、多路径吸湿过程及其在五个关键性能维度的优势，包括太阳能独立性、吸附、解吸、可持续性与可扩展性。

图1. DBJA的制备与设计原理。 a) 亚洲部分地区平均相对湿度分布图（2020年）； b) 中国典型城市月地表光照时长； c) DBJA在不同天气下太阳能-机械协同双模式AWH运行机制示意图； d) DBJA多路径吸湿示意图； e) DBJA在五个方面的性能对比分析：太阳能独立性、吸附性、解吸性、可持续性、可扩展性。

图2详细表征了BASE与DBJA的微观结构和化学组成。SEM图像显示吸湿层具有分级多孔结构，光热层因PPy-PA复合物覆盖而显著粗糙化。孔结构分析表明DBJA孔隙率从91.70%降至63.24%，但累计比表面积增加13.81倍。FTIR、Raman和XPS结果证实了HPC、KGM、PPy和PA的成功复合与LiCl的稳定固定，Li⁺通过与—OH、—NH和-PO₄³⁻等基团的配位作用被有效锚定。

图2. BASE与DBJA的表征。 a) DBJA制备流程及内部结构示意图； b) BASE截面SEM图像，表面微孔及LiCl晶体附着情况； c) DBJA截面SEM图像，表面PPy形貌； d) BASE与DBJA的孔体积、孔径分布与孔隙率； e–g) 样品的FTIR光谱（e）、Raman光谱（f）和XRD图谱（g）； h,i) DBJA与HPC+KGM+PPy+PA体系的XPS N 1s（h）和O 1s（i）谱图。

图3研究了Janus结构对吸附-解吸动力学的调控作用。通过调控PPy覆盖率（DBJA-X系列），发现DBJA-25%在吸湿容量与解吸效率间达到最优平衡。COMSOL模拟表明，孔隙率降低会减慢水分传输速度，过高的光热层覆盖率会阻碍水蒸气释放。红外热成像显示，DBJA在湿润状态下光热回报随覆盖率增加而递减，进一步验证了25%覆盖率的合理性。

图3. Janus结构对吸附-解吸动力学的影响。 a–c) 不同PPy含量的DBJA-X样品实物照片（a）、吸附（b）与解吸性能（c）； d,e) DBJA-X的制备与性能稳定性； f) 干燥DBJA的光热转换性能； g) 湿润DBJA的光热转换性能； h,i) COMSOL模拟计算的BASE（h，孔隙率≈90%）与DBJA（i，孔隙率≈60%）水分传输速度； j) 基于模拟的渗透率与水分传输速度随孔隙率变化曲线。

图4系统评估了DBJA在不同湿度和光照下的性能。其在30%–90%相对湿度下饱和吸附容量为0.74–3.45 g g⁻¹，并表现出快速的环境响应性。在0.7–1.5倍太阳光强下，DBJA可在2小时内释放72%–100%的吸附水，且经历10次循环后性能未出现明显衰减。

图4. DBJA的性能。 a) 不同湿度下DBJA的吸附动力学（23°C）； b) DBJA在30%、60%、90% RH下的动态水蒸气吸附过程； c) 不同光照强度下的解吸动力学； d) DBJA对不同光照的响应； e) 1倍太阳光照射30分钟后的红外图像； f) DBJA在10次循环中的稳定性（23°C, 50% RH, 1倍太阳光）。

图5展示了户外集水实验成果。自制集水装置在西安地区进行24小时测试，夜间吸湿使DBJA质量增至初始的254%，白天在最高0.84倍太阳光强下实现1.32 g g⁻¹ day⁻¹的净集水效率。ICP-MS分析表明收集水中的离子浓度符合WHO饮用水标准。

图5. 户外性能与集水情况。 a) AWH装置工作原理； b) 户外测试中装置实物图； c) 测试期间环境温湿度记录； d) 夜间吸湿过程中DBJA质量变化； e) 太阳辐射强度与空气质量指数（AQI）随时间变化； f) 白天解吸过程中集水效率与累计集水量； g) 实验室模拟循环测试； h) 收集水中的离子浓度。

图6重点介绍了挤压式集水性能。DBJA可真空压缩包装，便于携带，吸水后体积恢复率达98%。通过手动挤压，50 cm³的DBJA在5次循环中可收集150 mL水，50次循环后仍保持较高产水量。Li⁺泄漏率在10次循环后降至可忽略水平，XPS mapping和SEM图像表明材料在循环后仍保持结构完整性与Li⁺均匀分布。自制滤器可进一步纯化水质，使其完全达到饮用水标准。

图6. 挤压式集水。 a) DBJA挤压集水应用场景； b) 真空包装与吸湿膨胀实物图； c) 基底层与光热层在压缩与膨胀过程中的体积变化； d) 50次挤压循环集水量； e) 不同批次样品的Li⁺泄漏情况； f) 50次循环前后Li元素空间分布； g,h) 50次循环后DBJA截面SEM图像； i) 自制滤器示意图与纯化前后水样照片； j) 纯化后水中离子浓度； k) 与其他集水材料的性能对比。

该研究通过构建太阳能-机械协同的双模式Janus生物气凝胶，成功解决了大气水收集技术对太阳能的过度依赖问题。DBJA在户外光照不足或夜间环境下仍能通过机械压缩高效产水，且具备良好的循环稳定性和便携性。未来通过进一步优化结构设计，DBJA在挤压式集水效率与复用性方面有望实现更大突破，为新一代大气水收集系统的工程化应用提供重要技术支撑。

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！

来源：科学人人