全球淡水短缺已成為21世紀最緊迫的挑戰之一。盡管地球表面70%被水覆蓋，但可獲取的淡水資源僅占全球水資源的2.5%，且近三分之二封存于冰川或難以利用。工業化、人口增長和氣候變化加劇了淡水危機，預計到2050年全球超50%人口將面臨缺水問題。吸附式大氣集水（SAWH）技術通過吸濕材料捕獲大氣水分并利用太陽能釋放，被視為緩解水資源短缺的有效途徑。然而，現有SAWH系統普遍依賴氯化鋰等吸濕鹽，存在鹽泄漏、結塊和循環穩定性差等問題；同時，傳統設備多為間歇式運行，每日僅完成單次吸附-脫附循環，導致時間與能源效率低下。開發無鹽、連續自動化且高效穩定的SAWH技術是當前關鍵挑戰。

山東第一醫科大學李晨蔚教授、丁美春副教授成功研制出一種無鹽生物質雙層氣凝膠，可實現全天候連續大氣集水。該材料由殼聚糖（CS）、海藻酸鈉（SA）和羧甲基纖維素鈉（CMC）組成，依托三維三聚氰胺泡沫骨架構建雙層結構：底部吸濕層捕獲水分，頂部光熱層（摻入碳黑）驅動太陽能脫附。其在90%濕度下吸附量高達3.97 g g?1，單日光照下脫附速率達3.33 kg m?2 h?1。戶外原型設備通過同步吸附-脫附實現連續運行，周均日產水量達3234 mL kg?1，超越現有SAWH系統。此外，材料本征抗菌特性保障了水質安全，為干旱偏遠地區提供了免維護的離網淡水解決方案。

設計理念與核心優勢

該雙層氣凝膠由三種生物質聚合物構成（圖1a），完全規避吸濕鹽的泄漏與結塊問題（圖1b）。其核心創新在于通過物理分隔設計實現連續運作：底部吸濕層持續捕獲空氣中的水分，通過內部通道輸運至頂部光熱層，在太陽能驅動下蒸發并冷凝收集（圖1c）。實驗證實，材料對大腸桿菌（E. coli）的抑菌率超90%（圖1d），從源頭確保水質安全。

圖1 a) 雙層氣凝膠由三種生物質衍生聚合物組成 b) 生物質雙層氣凝膠有效防止鹽泄漏與結塊，具備優異循環穩定性 c) 基于雙層氣凝膠的全天候連續SAWH裝置示意圖 d) 潮濕環境中雙層氣凝膠對大腸桿菌的抗菌活性

分級孔道結構與分子相互作用

氣凝膠以三聚氰胺泡沫（MF）為骨架，通過離心浸漬工藝均勻負載聚合物（圖2a）。微觀結構顯示，單一CS或SA在MF骨架上分散不均（圖2e-g），而CS/SA復合凝膠形成粗糙的亞微米級多孔表皮（圖2h-j），顯著提升親水性。添加CMC后，凝膠網絡呈現絲瓜瓤狀分級孔道（圖2k-m），微米級大孔增強水汽接觸，亞微米/納米級孔加速輸運。FTIR光譜證實，CS的─NH??與SA/CMC的─COO?通過靜電作用形成聚電解質復合物，氫鍵網絡進一步穩定結構（圖2n-o），為高效水分捕獲奠定基礎。

圖2 a) 雙層氣凝膠制備流程 b,c) 三聚氰胺泡沫（MF）的SEM圖像 d) MF骨架結構示意圖 e,f) CS@MF的SEM圖像 g) CS附著于MF骨架的示意圖 h) CS/SA@MF的SEM圖像 i) MF骨架表面粗糙CS/SA凝膠表皮的SEM圖像 j) MF骨架集成粗糙CS/SA凝膠表皮的示意圖 k) CS/SA/CMC@MF的SEM圖像 l) MF孔隙內CS/SA/CMC復合凝膠的SEM圖像 m) MF孔隙內CS/SA/CMC復合凝膠結構示意圖 n,o) CS、SA、凝膠化SA、CS/SA及CS/SA/CMC的FTIR光譜

卓越的吸附性能

在30%、60%和90%相對濕度（RH）下，CS:SA質量比為1:3的氣凝膠吸附量分別達1.32、2.84和3.97 g g?1（圖3c,f）。高吸附性源于三重機制：親水基團（─OH、─COOH、─NH?）通過氫鍵捕獲水分子（圖3h）；單層水膜提供額外吸附位點；分級孔道加速水分子擴散。相比毫米級聚氨酯骨架，MF的微米級孔（≈150 μm）提供更優吸附動力學（圖S6）。

圖3 a-f) 不同CS:SA質量比的雙層氣凝膠在30%/60%/90%濕度下的吸附動力學曲線 g) 與已報道吸附劑的性能對比 h) 親水基團與水分子間靜電作用示意圖，展示多層吸附機制

光熱脫附與循環穩定性

碳黑涂層使濕氣凝膠在300–2500 nm波段光吸收率超95%（圖4a），1太陽光輻照下表面溫度5分鐘內升至34.8°C（圖4b,d）。水分蒸發速率達3.33 kg m?2 h?1（圖4f），歸因于界面局域加熱與材料中"中間水"（氫鍵弱化）的低蒸發焓（圖S10）。黑暗環境中，氣凝膠通過吸收環境能量維持脫附能力（圖S12）。經歷20次循環后，吸附量保持率超95%，結構無坍塌（圖4g），證明其長期穩定性。

圖4 a) 生物質氣凝膠與雙層氣凝膠的紫外-可見-近紅外吸收光譜對比 b) 干燥生物質氣凝膠與雙層氣凝膠在有無光照下的紅外熱成像圖 c) 脫附性能測試裝置：①雙層氣凝膠 ②太陽模擬器 ③電子天平 ④紅外熱像儀 ⑤電腦 d) 濕態雙層氣凝膠在1太陽光照120分鐘內的紅外熱成像序列 e) 濕態雙層氣凝膠表面溫度變化曲線 f) 濕態雙層氣凝膠質量隨時間變化曲線 g) 20次循環中不同濕度下的吸水率

水輸運機制與仿真驗證

水分通過雙重路徑輸運：MF骨架表面的粗糙凝膠表皮產生毛細力，推動水分子向上遷移；內部絲瓜瓤狀凝膠網絡的微通道實現高效輸運（圖5a-d）。COMSOL仿真表明，吸附時水分子從表面向內部擴散（圖5e），脫附時光熱層蒸發驅動底部水分持續上移（圖5f）。

圖5 a) 雙層氣凝膠水分傳輸機制示意圖 b) 吸水前后的光學顯微鏡圖像對比 c) 太陽能驅動界面蒸發示意圖 d) 脫附過程中水分子間相互作用示意圖 e) COMSOL模擬的吸附過程水分分布 f) COMSOL模擬的不同高度脫附過程水分分布

戶外驗證與抗菌保障

原型設備由冷凝玻璃罩、通風暗箱和集水皿組成（圖6a）。七組氣凝膠置于暗箱頂部，吸濕層朝內、光熱層朝外。戶外測試（山東第一醫科大學）顯示，夜間（平均RH 50.6%）吸濕層持續捕水，脫附層在弱光下蒸發；白天（平均光強52.8 W m?2）加速脫附（圖6b-d）。連續模式日產水量（3250 mL kg?1）較間歇模式提高40%（圖6e），周均產量達3234 mL kg?1，滿足成人日需水量（圖6f）。抑菌實驗證實，氣凝膠組大腸桿菌濃度顯著低于空白組（圖6g），保障水質安全。

圖6 a) 基于雙層氣凝膠的全天候連續SAWH裝置示意圖 b,c) 晝夜戶外測試的溫度、濕度及太陽輻照度記錄 d) 2025年4月22日18:00至23日18:00戶外集水實驗實景圖 e) 7天戶外測試的日均產水量 f) 雙層氣凝膠與已報道SAWH裝置（含/不含吸濕鹽）的產水性能對比 g) 空白組、CS粉末對照組及雙層氣凝膠實驗組的大腸桿菌濃度（OD值）

總結與展望

該研究首創的無鹽生物質雙層氣凝膠，通過同步吸附-脫附實現了全天候連續大氣集水，解決了吸濕鹽泄漏與間歇運作效率低的核心難題。分級孔道結構賦予其高吸附容量與快速水輸運能力，而殼聚糖的抗菌特性確保了飲水安全。戶外原型以3234 mL kg?1 day?1的產水量超越現有技術，為干旱偏遠地區提供了免維護、離網式淡水生產方案。未來，生物質原料的可持續性與低成本優勢將推動該技術規模化應用，助力聯合國可持續發展目標6（清潔飲水）的實現。

來源：高分子科學前沿

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