全球淡水危機日益嚴峻，約三分之二人口面臨水資源短缺。盡管海水淡化技術（如蒸餾和反滲透）被廣泛應用，但其地理局限性難以滿足內陸及干旱地區需求。大氣中蘊含約129萬億噸淡水，不受地域限制，成為新興解決方案。然而，傳統吸濕材料（如沸石、金屬有機框架）存在吸濕容量低、合成成本高、脫附能耗大等問題，尤其吸濕鹽/聚合物復合凝膠易因鹽結晶、孔塌縮和熱擴散應力導致長期穩定性差，嚴重制約實際應用。

西北師范大學馬國富教授、彭輝副教授、張哲副教授合作在《Advanced Functional Materials》發表研究，提出一種分子工程設計的溫度敏感型仿生多相凝膠（PNIPAm-co-PAAS/PANI@LiCl）。該材料通過原位共聚丙烯酸鈉（AAS）和N-異丙基丙烯酰胺（NIPAm）于聚苯胺（PANI）納米顆粒上，并與吸濕鹽LiCl配位錨定，形成仿生親水/疏水粗糙結構。凝膠在寬濕度范圍（25–90% RH）內吸水量達0.56–3.78 g g?1，并利用PNIPAm熱響應性與PANI光熱效應，實現高達2.5 kg m?2 h?1的太陽能驅動脫附速率。結合倒置被動冷卻裝置，戶外實際日產水量達2.2 g g?1 cycle?1，為干旱地區提供了高效、可擴展的集水方案。

仿生設計靈感

研究受納米布沙漠蜥蜴（Pachydactylus rangei）皮膚微米級親/疏水交替粗糙結構的啟發。該結構可高效冷凝大氣水分并定向輸送至體內（圖1a）。團隊通過分子工程將疏水光熱材料PANI引入NIPAm與AAS單體溶液，利用羧基與亞胺基靜電作用防止PANI聚集，形成仿生多相凝膠（圖1b-c）。

圖1 a) Pachydactylus rangei（蜥蜴）獨特的捕水機制。 b) PNIPAm-co-PAAS/PANI@LiCl多相凝膠制備過程示意圖。 c) 多相凝膠的分子工程設計。

結構與穩定性

掃描電鏡（SEM）顯示，PNIPAm-co-PAAS凝膠具大孔結構（數十至數百微米），添加PANI后孔壁變粗糙，比表面積提升；LiCl負載后凝膠維持多孔性且親水性顯著增強（接觸角≈0°，圖2a-f）。元素映射證實LiCl均勻分散（圖2g）。FTIR與XPS分析表明，Li?與羧基配位、PANI與聚合物靜電結合，有效抑制鹽泄漏（圖3a-c）。XRD證明LiCl以解離態存在，無晶體聚集（圖3d）。流變與拉伸測試顯示，PANI和LiCl的引入提升凝膠模量與強度（圖3e-f）。熱重分析驗證材料在200℃內穩定，LiCl負載量≈55%（圖3g）。

圖2 a,b) PNIPAm-co-PAAS凝膠的橫截面SEM圖像（大孔結構）。插圖： 8秒后水接觸角≈20°。 c,d) PNIPAm-co-PAAS/PANI凝膠（保持大孔與粗糙孔壁結構）。插圖： 8秒后水接觸角≈35°。 e,f) PNIPAm-co-PAAS/PANI@LiCl凝膠（孔壁粗糙，孔徑略小于PNIPAm-co-PAAS）。插圖： 8秒后水接觸角≈0°。 g) PNIPAm-co-PAAS/PANI@LiCl的元素分布圖，顯示LiCl在基質中均勻分散。

圖3 PNIPAm-co-PAAS/PANI@LiCl凝膠的表征： a) FTIR光譜顯示添加PANI和LiCl后-COO?峰顯著紅移。 b) XPS的O 1s譜表明添加PANI和LiCl后出現-COO?峰。 c) XPS的N 1s結合能隨PANI和LiCl添加持續降低。 d) XRD圖譜顯示LiCl在凝膠中以解離態存在（非晶體聚集）。 e) 動態流變性能；f) 應力-應變曲線（證實PANI和鹽添加后交聯網絡增強）。 g) TGA證明凝膠中LiCl高負載量（≈55%）。 h) UV-vis-NIR吸收光譜（突出凝膠光熱轉換能力）。 i) 凝膠相變溫度（證明熱敏感性）。

吸濕性能與機制

在25°C、70% RH條件下，凝膠吸水量達2.04 g g?1（速率1.3 g g?1 h?1），較無PAAS凝膠提升1.6倍（圖4a-b）。寬濕度范圍（25–90% RH）測試表明，其吸濕容量（0.56–3.78 g g?1）和動力學均優于現有材料（圖4c-e）。循環穩定性實驗顯示，10次高濕（90% RH）循環后無鹽泄漏（圖4f-g）。分子動力學模擬揭示吸濕機制：水分子通過滲透壓進入凝膠，與Li?結合后經氫鍵錨定于聚合物鏈（圖4h-i）。靜電勢差（EPD）與結合能計算證實，LiCl（-114.7 kJ mol?1）與PAAS（-77.2 kJ mol?1）協同提升吸濕效率（圖5）。

圖4 PNIPAm-co-PAAS/PANI@LiCl的吸濕性能與機制： a) 吸水容量（25°C, 70% RH下，PAAS和LiCl對吸濕能力的貢獻）。 b) 吸水速率（同上條件）。 c) 吸水容量（25°C, 不同濕度下）。 d) 吸水速率（25°C, 不同濕度下）。 e) 不同濕度下吸水速率與已報道材料的對比。 f) 90% RH下的循環穩定性測試（粉色區域為首次循環）。 g) 光學照片（90% RH下凝膠體積膨脹且無鹽泄漏）。 h) 吸濕機制示意圖。 i) 水收集過程示意圖。

圖5 吸濕機制分子模擬： a) LiCl、PAAS和PNIPAm的靜電勢差（EPD）（原子顏色：H=白, Li=紫, C=灰, N=淺藍, O=紅, Na=黃, Cl=綠）。 b) 分子動力學（MD）模擬水分子在凝膠中的吸附與傳輸行為（S?=0 ns, S?=20 ns, S?=40 ns）。 c) 水分子從外部遷移至聚合物鏈的模擬快照。 d) S?-S?階段氫鍵數量統計。 e) LiCl、PAAS、PNIPAm與水分子的結合能（分別為-114.7, -77.2, -50.5 kJ mol?1）。

脫附性能與光熱應用

PAAS凝膠載體將LiCl脫附溫度從103℃降至62℃（圖6b-d）。PNIPAm的熱響應性（LCST≈46.3℃）進一步加速脫水，80℃下脫附速率達2.06 g g?1 h?1（圖6e-h）。添加PANI后，凝膠太陽光吸收率超90%（圖7a），光照30分鐘表面溫度升至55℃，180分鐘內釋放絕大部分水分（圖7c-f）。集成自制裝置后，不同濕度下集水效率達33.1–74.5%（圖7g-h），高溫下PNIPAm疏水基團收縮擠出水分是快速脫附關鍵（圖7i）。

圖6 a) LiCl在PAAS凝膠中的分散示意圖（凝膠基質提供高比表面積和傳質通道）。 b) TGA測試LiCl-H?O和PAAS@LiCl-H?O的水分釋放曲線。 c) 水分脫附量與d) 脫附速率對比（脫附條件：80°C, 10% RH）。 e) PNIPAm-co-PAAS@LiCl的相變溫度。 f) 不同濕度下吸水/脫附曲線（脫附條件：80°C, 10% RH）。 g) 70% RH下快速吸/脫附動力學（導數曲線）。 h) 脫附性能與已報道材料的對比。

圖7 光熱水脫附性能： a) UV-vis-NIR吸收光譜（PANI提升光吸收率至>90%）。 b) 太陽能蒸發實驗裝置圖。 c) 凝膠表面溫度變化（證明光熱轉換能力）。 d) 不同時間點的紅外熱成像圖。 e) 時間依賴性水分脫附量（顯著增強）。 f) 時間依賴性脫附速率。 g) 1.0 Sun光照下不同初始濕度的脫附曲線。 h) 不同濕度下的集水量。 i) 太陽能觸發的水釋放過程示意圖。

戶外裝置優化

針對蒸汽凝結效率低的問題，團隊開發倒置式冷凝裝置：凝膠置于黑色頂蓋下方，蒸汽向下冷凝，避免阻擋陽光（圖8b）。多孔Al?O?涂層（紅外發射率96.2%，太陽反射率95.1%）實現被動輻射冷卻，冷凝器表面降溫≈4.9℃（圖8c）。2024年9月蘭州戶外測試顯示，夜間吸濕（12.3°C, 76.2% RH）后，白天僅憑太陽能（31.8°C）即釋放92.8%水分，日產水量達2.2 g g?1 cycle?1（圖8d-g）。收集水質符合飲用標準（圖8h），性能雷達圖綜合評價領先（圖8i）。

圖8 a) 傳統向上蒸汽收集裝置問題（頂部蒸汽阻礙光吸收且不利冷凝）。 b) 倒置蒸汽冷凝裝置示意圖（結合向下冷凝與輻射冷卻）。 c) 多孔Al?O?涂層的UV-vis-NIR光譜（高反射率與紅外發射率）。 d) 戶外集水對比（倒置裝置帶涂層 vs 無涂層）。 e) 戶外測試中各裝置平均溫度。 f) 12小時累計集水量（輻射冷卻涂層顯著提升性能）。 g) 冷凝器溫度對比（帶/不帶輻射冷卻涂層）。 h) 收集水質的離子濃度。 i) 性能雷達圖（對比吸水率、脫附率、日產水量、制備難度及循環穩定性）。

展望

該仿生多相凝膠通過分子工程策略，融合疏水光熱、溫度響應與親水組分，突破傳統吸濕材料瓶頸。結合倒置冷凝與被動冷卻裝置，為干旱半干旱地區提供了可擴展、高能效且氣候適應性強的集水方案，有望緩解全球淡水短缺危機。

來源：高分子科學前沿

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