研究背景

全球缺水對(duì)人類社會(huì)構(gòu)成重大威脅。聯(lián)合國(guó)兒童基金會(huì)和世界衛(wèi)生組織報(bào)告稱，全世界三分之一的人得不到安全飲用水。這一挑戰(zhàn)是聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDG）6的核心，旨在確保到2030年實(shí)現(xiàn)普遍供水和可持續(xù)管理。鑒于人口分布和水供應(yīng)之間的差異，確定普遍可得和分散的水源至關(guān)重要。大氣中的水儲(chǔ)量超過13000立方公里，是一種可持續(xù)的淡水來(lái)源。利用這一資源，基于吸附的大氣集水（SAWH）已成為一個(gè)可行的解決方案，利用水分吸附-解吸不受地理限制的吸濕吸附劑容量。

對(duì)高效吸附劑材料的追求已經(jīng)導(dǎo)致了顯著的進(jìn)步。理想的吸附劑的特征在于高吸水性、快速的吸附-解吸動(dòng)力學(xué)和操作穩(wěn)定性。該領(lǐng)域的候選材料包括金屬有機(jī)骨架（MOF）、鹽基復(fù)合材料和水凝膠，每種材料都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，MOF有利于快速的水吸附-解吸，而鹽基復(fù)合材料在水吸收方面表現(xiàn)出色。聚合物水凝膠具有獨(dú)特的溶脹性能和可調(diào)節(jié)的聚合物-水相互作用，提供了高的水容量和可定制的吸濕性和水合性。然而，這些水凝膠中聚合物基質(zhì)的可持續(xù)性日益受到挑戰(zhàn)，例如，通常由石油衍生的合成乙烯基單體組成，如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸和聚（N-異丙基丙烯酰胺）。此類聚合物在各個(gè)行業(yè)的廣泛使用預(yù)計(jì)將使全球聚合物產(chǎn)量增加，到2050年可能占全球化石燃料消費(fèi)量的20%，突顯出全球塑料和聚合物污染對(duì)環(huán)境的深遠(yuǎn)影響。

天然生物質(zhì)，特別是多糖，代表了功能聚合物的巨大資源，占世界碳水化合物質(zhì)量的90%以上。多糖上的官能團(tuán)，主要是葡萄糖單元上的羥基，為各種官能化提供了機(jī)會(huì)。然而，它們的固有性質(zhì)在用作SAWH吸附劑材料方面存在挑戰(zhàn)。許多多糖的致密分子結(jié)構(gòu)影響它們的吸濕性和水化性，降低水分吸附效率。這些特性也會(huì)使它們的加工更加復(fù)雜，通常需要特定的溶劑來(lái)生產(chǎn)水凝膠。此外，在水凝膠基質(zhì)中加入吸濕性鹽如氯化鋰（LiCl）和氯化鈣（CaCl2），雖然有利于水的吸收，特別是在干旱條件下，但由于鹽析效應(yīng)，可導(dǎo)致水化性降低，潛在地引起鹽滲漏和損害水凝膠內(nèi)的水儲(chǔ)存。

本研究提出一種通用策略：對(duì)多糖進(jìn)行分子功能化改性。首先通過烷基化接枝溫敏基團(tuán)（如羥丙基/丁基），改善水溶性并引入低臨界溶解溫度（LCST），利于低溫解吸。隨后引入兩性離子基團(tuán)，其“鹽溶效應(yīng)”有效解決了鹽析問題，增強(qiáng)了鹽存在下的溶脹性。該方法成功制備了分子功能化生物質(zhì)水凝膠（MFBHs）。所得纖維素/LiCl MFBH在15%、30%、60%相對(duì)濕度下吸水率分別達(dá)0.86、1.32、2.18 g g?1?？稍?0°C和60°C下分別解吸80%和95%的水。室外測(cè)試產(chǎn)水率高達(dá)14.19 kg kg?1 day?1，展示強(qiáng)大應(yīng)用潛力。此策略利用地球豐富的生物質(zhì)資源，為開發(fā)可擴(kuò)展、可持續(xù)的SAWH技術(shù)提供了新途徑。

相關(guān)成果以“Molecularly Functionalized Biomass Hydrogels for Sustainable Atmospheric Water Harvesting”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《ADVANCED MATERIALS》(JCR一區(qū)，中科院一區(qū)top，IF=27.4 ) 上。

研究數(shù)據(jù)

圖1.天然多糖作為水凝膠吸附劑的分子功能化策略。對(duì)來(lái)源于豐富生物質(zhì)的天然多糖進(jìn)行分子功能化處理，可提高其吸水率，降低脫附溫度，活化其作為SAWH吸附劑。在室溫下，水凝膠吸收水分并膨脹，代表水吸附狀態(tài)（藍(lán)色膨脹水凝膠，右上）。加熱時(shí)，熱響應(yīng)基團(tuán)之間的疏水相互作用占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致水凝膠網(wǎng)絡(luò)收縮并轉(zhuǎn)變?yōu)樗尫艩顟B(tài)（紅色收縮水凝膠，右下）。

圖2.ZHPC的合成與性能研究。a）在AWH應(yīng)用中分子官能化纖維素的合成路線的示意圖。所描述的化學(xué)結(jié)構(gòu)僅用于說(shuō)明性目的。B）1H NMR譜圖顯示了HPC、ZHPC?1、ZHPC?2和ZHPC?3，沿著ZHPC的化學(xué)結(jié)構(gòu)。c）原始纖維素、HPC、ZHPC?3和兩性離子試劑（3-（（3氯丙基）二甲基銨基）丙烷-1-磺酸鹽）的FTIR光譜比較。d）原始纖維素和ZHPC?3水凝膠的XRD圖譜。e）纖維素水凝膠和ZHPC?3水凝膠在不同LiCl濃度溶液中的溶脹比。f）DSC測(cè)試的熱流曲線，顯示了HPC、ZHPC?1、ZHPC?2和ZHPC?3的相變行為。

圖3.ZHPC水凝膠吸附劑的AWH性能。a）ZHPC?1、ZHPC?2和ZHPC?3/LiCl水凝膠吸附劑在30% RH和25 °C下的靜態(tài)水蒸氣吸附-解吸曲線。解吸條件：60 °C，15% RH。B）ZHPC?3/LiCl水凝膠吸附劑在25 °C、15%、30%和60%相對(duì)濕度下的靜態(tài)水蒸氣吸附-解吸曲線。解吸條件：60 °C，15% RH。c）詳細(xì)描述纖維素水凝膠和ZHPC?3/LiCl水凝膠蒸發(fā)行為的熱流曲線。d）ZHPC?3/LiCl水凝膠在不同溫度下的靜態(tài)解吸曲線，水蒸氣壓恒定為3.17 kPa。e）ZHPC ?3/LiCl水凝膠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)反復(fù)吸附-解吸循環(huán)的循環(huán)性能;吸附在30% RH下，解吸在60 °C下。f）ZHPC ?3/LiCl水凝膠在循環(huán)前后的靜態(tài)水蒸氣吸附-解吸曲線。g）在不同相對(duì)濕度水平下的吸水和集水。h）在30%RH下使用ZHPC?3/LiCl水凝膠進(jìn)行水收集的循環(huán)測(cè)試。

圖4.ZHBS和ZHBC水凝膠吸附劑的材料性質(zhì)和AWH性能。圖（a-e）描述了淀粉體系（ZHBS），和f-j）描述了脫乙酰殼多糖體系（ZHBC），具有鏡像分析。a，f）1HNMR光譜顯示了HBS/HBC、ZHBS/ZHBC?1和ZHBS/ZHBC?2，包括它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)。B，g）XRD圖將原始基材與ZHBS/ZHBC-1進(jìn)行比較，說(shuō)明結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。c，h）DSC熱流曲線揭示了HBS/HBC、ZHBS/ZHBC?1和ZHBS/ZHBC?2的相變行為。d，i）ZHBS/ZHBC?1 LiCl水凝膠在25 ℃、15%、30%和60%相對(duì)濕度下的靜態(tài)水蒸氣吸附-解吸曲線，以及在60 ℃、15%相對(duì)濕度下的解吸曲線。e，j）ZHBS/ZHBC?1 LiCl水凝膠在30%RH下的吸附和60 °C下的解吸的長(zhǎng)期循環(huán)性能。

圖5.室外AWH試驗(yàn)。a）展示一系列含有2 wt.%大體積ZHPC解決方案，說(shuō)明了合成過程的可擴(kuò)展性。B）水收集裝置設(shè)置。c）頂部顯示吸附/解吸過程中的含水量和冷凝收集的累積水，底部顯示室外溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)。淺藍(lán)色和紅色區(qū)域分別表示吸附和解吸階段。d）收集水的照片。e）ICP-MS分析，詳細(xì)說(shuō)明收集水中的陽(yáng)離子殘留物。f）基于實(shí)際AWH應(yīng)用所必需的關(guān)鍵內(nèi)在特性對(duì)不同材料進(jìn)行比較分析。

研究結(jié)論

本研究開發(fā)了一種基于天然多糖（如纖維素、淀粉、殼聚糖）的環(huán)保型吸附劑（MFBHs），用于大氣集水（AWH），助力可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，。通過分子工程精細(xì)調(diào)控溫敏性和兩性離子基團(tuán)，材料實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的吸附-解吸平衡：在30%相對(duì)濕度下吸水能力達(dá)0.89-1.32 g g?1，并能在60°C下解吸>90%的水分。MFBHs在室外多循環(huán)測(cè)試中表現(xiàn)出色，日清潔水產(chǎn)率高達(dá)14.19 kg kg?1 day?1。該策略利用可再生生物質(zhì)資源，合成過程溫和（主要在水相中進(jìn)行），具有通用性，可拓寬吸附劑原材料來(lái)源。未來(lái)工作可進(jìn)一步優(yōu)化材料（如孔隙結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱性、光熱性能）和系統(tǒng)設(shè)計(jì)（如太陽(yáng)能利用、解吸/冷卻策略），并采用綠色化工實(shí)踐（如溶劑回收、閉環(huán)系統(tǒng)）提升生產(chǎn)效率和可持續(xù)性，推動(dòng)其規(guī)?；瘧?yīng)用以緩解全球水危機(jī)。

DOI:10.1002/adma.202420319

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