南京工业大学AFM：新型吸湿性两性离子织物为实现可持续大气水收集提供新途径

摘要：随着气候变化、人口增长和城市化进程加剧，全球清洁淡水资源的获取日益成为严峻挑战。传统水源逐渐枯竭，推动了对创新水资源收集技术的迫切需求。大气水收集（AWH）技术利用空气中丰富的水分，通过吸附-解吸过程生产饮用水，尤其吸附式AWH因其适应广泛气候条件而备受关注。

随着气候变化、人口增长和城市化进程加剧，全球清洁淡水资源的获取日益成为严峻挑战。传统水源逐渐枯竭，推动了对创新水资源收集技术的迫切需求。大气水收集（AWH）技术利用空气中丰富的水分，通过吸附-解吸过程生产饮用水，尤其吸附式AWH因其适应广泛气候条件而备受关注。然而，现有吸湿性聚合物凝胶（HPGs）虽具有高吸湿能力，却因高度交联的网络结构导致机械性能差、空气渗透性低、吸附动力学缓慢，限制了其在实际设备中的规模化应用。

近日，南京工业大学李海青、周嵬研究团队开发出一类新型大气水收集吸附剂——吸湿性两性离子织物（HZFs），通过表面引发原子转移自由基聚合（SI-ATRP）在棉织物上接枝无交联的两性离子聚（磺酸甜菜碱甲基丙烯酸酯，PSBMA）刷，并经LiCl负载制得。该材料不仅具备优异的机械柔韧性、鲁棒性和可扩展性，还在不同相对湿度（RH）下表现出卓越的吸湿性能，且有效缓解了“盐析效应”。基于此，研究者设计了一种新型AWH原型机，采用单层HZF进行大气吸湿，多层堆叠结构进行高效解水，户外实测日产量达4.2 L·m⁻²，显示出在各种气候条件下高效收集大气水的巨大潜力。相关论文以“ Hygroscopic Zwitterionic Fabrics for Sustainable Atmospheric Water Harvesting ”为题，发表在Advanced Functional Materials 上，论文第一作者为Shi Junxin。

研究团队首先通过SI-ATRP法在棉纤维表面接枝了不同厚度的PSBMA刷，制备出PSBMA接枝棉织物（PGFs）。随反应时间延长（2、6、12小时），PGFs中PSBMA含量逐渐增加（28.6%、44.4%、52.4%）。扫描电镜图像显示PGFs保持了织物结构但表面更为粗糙；XPS和FTIR光谱证实了Br（引发剂）和S（PSBMA）的特征峰出现，成功验证了聚合物刷的接枝。随后，通过浸泡LiCl溶液并真空干燥，得到HZFs。FTIR中S=O键振动峰位移及XRD中无LiCl晶体峰表明LiCl通过静电作用均匀分散在PSBMA刷中，避免了盐析。热重分析显示HZFs热分解温度超过255℃，具备良好的热稳定性。力学测试表明，HZF3的拉伸强度虽略有下降，但弹性模量显著提高，且经反复折叠、拉伸仍保持结构完整，体现出优异的柔韧性和耐用性。

图1. a) 通过SI-ATRP在棉织物上接枝PSBMA刷，并经LiCl负载制备HZFs的示意图； b) HZF片材进行大气水吸附与热驱动水解吸的示意图。

图2. 原始棉织物与PGFs的实物照片与SEM图像 a)；原始棉、Cotton-BiBB、PGF3和HZF3的XPS谱 b) 和FTIR谱 c)；原始棉、LiCl盐、PGF3和HZF3的XRD图谱 d)。

在性能测试中，水蒸气吸附等温线显示HZFs在整个RH范围内吸湿能力显著优于纯棉和未负载LiCl的PGFs，其中HZF3在RH 60%时吸湿量达2.10 g·g⁻¹。实际大气吸湿实验中，HZF3在60% RH下1.5小时内吸水量为0.094 g·cm⁻²，且在90% RH下也无水滴渗出，显示出优异的防盐析能力。热驱动水解吸实验中，90°C加热1小时可使HZF3的解吸效率达90.4%，且经过30次循环后性能仍稳定。

图3. 298 K下原始棉、PCF3、HZFs和LiCl盐的水蒸气吸附等温线 a)；HZFs在60% RH下的大气水吸附曲线 b)；HZF3在不同RH下的大气水吸附曲线 c)；水饱和HZFs在不同温度热板加热下的水解吸曲线 d)；90°C热板加热下水饱和HZFs的水解吸曲线 e)；HZF3在60% RH吸附1.5小时与90°C加热解吸1.0小时的循环性能 f)。

为实现规模化生产，团队成功制备出尺寸达7×100 cm²的HZF3片材，并通过缝合进一步扩大面积。基于HZF3的吸附单元由包裹在铜泡沫（高导热性与孔隙率）上的HZF3片和碳纤维加热线组成，可实现快速均匀加热与高效解吸。在设计的AWH装置中，吸附阶段HZF3以单层形式充分暴露于空气中，解吸阶段则通过电机驱动包裹于铜泡沫外进行加热，水蒸气在密闭冷凝室内凝结收集。在控制环境条件下（25°C，30–90% RH），该装置日水产量达2.6–8.9 L·m⁻²，能耗为0.8–2.8 kWh·L⁻¹。户外实测中（17.3–33.8°C，15.2–60.0% RH），日产量为4.2 L·m⁻²，能耗1.7 kWh·L⁻¹，收集水质符合饮用水标准，仅含微量Li⁺（0.54 mg·L⁻¹）和有机碳（2.7 mg·L⁻¹）。

图4. 放大尺寸的HZF3实物照片 a)；穿有碳纤维线的铜泡沫与HZF3吸附单元实物照片 b)；铜泡沫加热曲线 c)；吸附单元中HZF3在60% RH吸附与16.9 W加热解吸曲线 d)；所提出AWH装置及其吸附/解吸阶段示意图 e)；装置在25°C、30% RH f)、60% RH g)、90% RH h) 下的三轮产水量。