Water Research|表面電荷調控水凝膠用于更快的大氣水收集

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研究背景

全球水資源短缺是本世紀最緊迫的挑戰之一。盡管地表水是主要的淡水來源，但其儲量有限且分布不均。海水淡化雖然提供了另一種途徑，但其高昂的能耗構成了普遍獲取清潔水的重大障礙。在此背景下，地球大氣層作為一個幾乎取之不盡的水庫進入了人們的視野。大氣中蘊藏著約13,000立方千米的水蒸氣，其總量是全球河流總水量的六倍。因此，從空氣中收集水（Atmospheric Water Harvesting, AWH）的技術，為將經濟發展與水資源限制脫鉤、促進實現聯合國可持續發展目標6.1（為所有人提供水和環境衛生）提供了一條極具前景的新途徑。

在多種AWH技術中，基于吸附原理的大氣水收集（SAWH）因其能夠在更寬的濕度范圍內工作而受到關注。其核心優勢在于吸附-解吸動力學快，且易于獲得較大的吸附容量，從而實現更高的產水率。目前的研究聚焦于開發各類吸附劑，包括固體吸附劑（如金屬有機框架MOFs）、聚合物吸附劑（如水凝膠）和液體吸附劑（如吸濕鹽溶液）。為了提升性能，近期研究致力于在吸附劑內部構建分級通道以擴大水傳輸路徑和比表面積。然而，對于單一的固態、液態或聚合物吸附劑而言，快速的水收集動力學和理想的吸附容量往往難以兼得，形成了一種性能上的“權衡”。

為了突破這一限制，將不同吸附劑優勢結合的“雜化”策略應運而生，例如將吸濕鹽負載于多孔水凝膠中。這類復合材料雖然在一定程度上整合了鹽的高吸濕性和凝膠的多孔結構，但也帶來了鹽分泄漏、設備腐蝕以及長期性能衰減等不容忽視的問題。為了解決這些問題，一條路徑是使用聚電解質復合水凝膠，利用其“鹽入”效應和溶脹特性來增強與吸濕鹽及水分子的相互作用；另一條根本性的路徑則是完全避免使用吸濕鹽，這有賴于對聚合物骨架與水分子相互作用的深刻理解，從聚合物設計本身入手提升性能。

從原理上講，氫鍵被普遍認為是決定水分子與吸附劑骨架親和力、在骨架中的存儲形式以及從骨架解吸能力的關鍵。本質上，氫鍵源于空間局部電荷之間的靜電相互作用。在水分子被吸附位點捕獲之前，它們必須首先克服隨機布朗運動，接近吸附劑表面，這一“接近過程”及其背后的水-聚合物相互作用顯著影響著AWH的整體動力學。以往研究較多關注水分子與表面結合后的狀態，而對于氣態水分子如何被“引導”并“穩定”在材料表面附近這一前置關鍵步驟的理解尚不充分。特別是，水分子作為偶極子，其與帶有不同電荷的聚合物表面的初始相互作用機制，是決定后續高效氫鍵形成和快速吸附動力學的先決條件。因此，深入探究水分子在接近表面過程中的偶極重排行為，以及表面電荷如何調控這一過程，對于設計本征快速AWH材料至關重要。本研究正是基于這一科學問題，旨在揭示表面電荷密度如何通過影響水分子的接近與取向，從而決定聚電解質復合水凝膠的AWH動力學，為設計無需吸濕鹽的高性能快速吸濕材料提供新的分子層面的見解和策略。

相關工作以“Surface Charge Modulated Hydrogel for Faster Atmospheric Water Harvesting”為題，發布在《Water Research》期刊上。（中科院一區TOP，JCR一區，IF=11.4）

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相關數據

圖1： WHG的制備與表征

(a) WHG的制備流程。(b) 羧甲基殼聚糖（CMCS）和季銨化殼聚糖（QCS）的分子結構。(c) 通過定向冷凍得到的WHG垂直排列多孔結構的俯視圖和側視圖SEM圖像。(d) QCS、CMCS和WHG的FTIR光譜。(e) WHG–33和WHG–60的XPS譜圖。(i) WHG–33的C1s譜。(ii) WHG–60的C1s譜。(iii) WHG–33的N1s譜。(iv) WHG–60的N1s譜。

圖2. 表面電荷對大氣集水性能的影響

(a) 用于監測吸附與脫附過程中相對濕度、溫度和重量變化的自制系統示意圖。(b) AWH測試期間自制容器內部的溫度和濕度。(c) WHG-x的表面電勢與其組成之間的關系。(d) WHG內部、WHG表面以及容器頂部空間對應的溫度。(e) WHG內部、表面溫度與自制容器頂部空間溫度的方差分析。(f) 2小時內大氣集水容量與表面Zeta電位之間的關系。(g) 不同厚度WHG-25的集水性能（RH 90%，25.0 °C）。(h) 分為三個過程的QCM-D原理示意圖。(i) 顯示WHG-33和WHG-60吸附動力學的QCM-D結果。

圖3. 揭示大氣集水動力學機制的分子動力學模擬

(a) 不同比例的CMCS和QCS凝膠化形成的不同電荷密度示意圖。(b) 近中性、帶正電和帶負電表面的水分子累積速率。(c) 水分子在近中性、帶正電和帶負電表面的結合能。(d) 水分子接近帶正電表面時的取向和能量變化。(e) 水分子接近近中性表面時的取向和能量變化。(f) （由DFT計算得出的）氫鍵供體數N_donor與界面水分子vO-H拉曼位移之間的關系。(g) 近中性表面上羧基、季銨基團和水分子的空間分布。

圖4. WHG–25的集水性能

(a) 不同相對濕度下2小時內的集水性能。(b) 不同溫度下2小時內的集水性能（RH ~73%）。(c) 通過改變相對濕度引發的吸附與脫附過程。(d) AWH后WHG的水凈化潛力。(e) WHG–25的吸附-脫附循環。(f) 2小時內集水容量的對比。

圖5. WHG-25的戶外大氣集水性能

(a) 戶外大氣集水示意圖。(b) 戶外實驗中吸附實驗的實景照片。(c) 陽光下水分脫附與收集的實景照片。(d) 戶外集水實驗9小時內的溫度與相對濕度。(e) 戶外收集的水質情況。

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研究結論

大氣水收集（AWH）正作為一種去中心化規模解決全球水資源短缺的有力替代方案而興起，水凝膠材料因其高吸附能力和靈活的結構-性能關系而備受關注。實現理想的AWH性能通常需要結合多孔水凝膠和吸濕材料，這是一種廣泛采用的策略，但由于吸附動力學有限，需要對水分子與聚合物骨架相互作用有深入理解。調節聚電解質復合水凝膠的內在AWH性能對于豐富其在淡水和能源收集中的實際應用具有重要意義。本研究揭示，近中性帶電的表面有助于水分子接近并增強其穩定性。我們發現更多水分子可以到達表面形成氫鍵，從而加速聚電解質復合水凝膠的固有吸附動力學。本研究揭示了水分子與表面化學之間的相互作用，深化了對AWH動力學的理解，并有助于設計高性能吸附劑，加速實現SDG-6.1，確保普及安全飲用水的普及。

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10.1016/j.watres.2026.125330

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