通过预离子屏蔽技术制备的超膨胀稳定水凝胶，用于大气水收集及农业中的可持续水资源管理

《Nano Today》：Pre-ionic shielding constructed super-swelling stabilized hydrogels for atmospheric water harvesting and sustainable water management in agriculture

大气水收集技术中，通过预离子屏蔽（PIS）策略制备了具有超级吸水性能的PCP/PAMPS-C-LiCl复合水凝胶，其兼具快速吸湿（90% RH下2小时吸水4g/g）和高效脱湿（太阳能光伏驱动全天候脱水）特性，同时实现材料稳定性与孔隙结构的协同优化。

　　

长辉付|广义田|邵军何|宇轩何|华阳张|志光郭

中国武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室与材料科学与工程学院，武汉430070

摘要

基于吸附的大气水收集（SAWH）已成为干旱地区从空气中提取水的一种有前景的方法，因为它具有高效率和低能耗。其中，吸湿性盐基水凝胶由于其相对较高的吸水能力和结构可调性而成为SAWH的吸引人的材料。然而，它们的质量传递特性限制了水蒸气的传输，导致吸附动力学较慢。如何最大化材料的吸水能力最近已成为研究人员共同关注的主要目标之一。在这里，我们报告了一种通过预离子屏蔽（PIS）制备超膨胀大孔拓扑网络水凝胶（PCP/PAMPS-C-LiCl）的新策略，该策略结合了提高传统水凝胶吸附动力学和稳定性的双重性能。在相对湿度为15％至60％的干旱环境中，其吸水能力在12小时内可达到0.53克/克至1.72克/克；而在相对湿度为90％的情况下，2小时内即可快速获得高达4克/克的吸水能力。此外，我们详细探讨了吸附、膨胀和收缩的动力学机制。我们还集成了一种混合光热和电热脱附系统，利用太阳能光伏板实现无需额外电力输入的全天候高效脱附。最后，该吸附剂也被证明可用于半封闭系统中的植物灌溉。水凝胶中的水分在阳光下释放出来，可供植物生长19天，从而实现了大气水的循环利用。这种策略可以扩展到新一代的农作物温室或家庭小规模盆栽种植，为干旱地区的可持续农业转型提供了新的见解。

引言

人口增长和环境污染导致了严重的淡水短缺危机[1]，[2]。预计在未来25年内，世界三分之二的人口将面临水资源短缺[3]，[4]。目前的研究人员已经开发了一系列策略，包括海水淡化和雾水收集，以捕获淡水[5]，[6]，[7]，[8]，[9]。然而，海水淡化通常能耗较高[10]，而雾水收集则需要较高的相对湿度，并受到区域使用的限制[11]，[12]。空气中普遍存在约12,900立方公里的水分，即使是在干旱地区，每千克空气中也储存了超过10克的水分，这是未充分利用的水资源之一[13]，[14]。因此，从空气中提取淡水的大气水收集（AWH）技术因其高效性和不受区域限制的特点而具有很大的潜力[15]，[16]，[17]，[18]，[19]。

水吸附和脱附能力是影响大气水收集器性能的两个重要因素（图1a）。近年来，研究人员开发了一系列多孔吸附剂，包括传统的硅胶和沸石[20]、新型水凝胶[21]，[22]，[23]，[24]，[25]，[26]、气凝胶[27]，[28]以及金属有机框架（MOF）[29]，[30]，[31]，[32]，[33]。此外，像LiCl、CaCl2这样的吸湿性盐也因其较宽的相对湿度范围内的高吸水能力而被广泛用于AWH[34]。然而，吸湿性盐在吸水过程中容易发生颗粒团聚，并且在水化过程中表面会形成一层钝化层，这大大减少了与空气接触的盐颗粒的表面积，从而导致水蒸气吸附动力学变慢[35]，[36]。为了解决这些问题，研究人员将吸湿性盐加载到上述各种类型的多孔吸附剂基质中，以实现盐的负载和分散，减少团聚和泄漏，并改善其缓慢的吸湿动力学[37]，[38]，[39]。

聚合物水凝胶由于其高保水能力、高膨胀性能和可调结构，是加载吸湿性盐的合适材料[40]，[41]。最近的研究表明，水凝胶-吸湿性盐复合吸附剂材料在低湿度下可以实现高吸水能力[42]。然而，水凝胶内部的微孔和纳米孔结构通常被水占据，不利于水蒸气的传输，导致大多数水凝胶的吸湿动力学较慢[43]。大孔结构可以缩短水蒸气的传输距离并增加有效扩散系数，从而有效提高吸附速率[44]（图S1，支持信息）。传统的水凝胶在水中膨胀后具有天然的大孔结构，但不可避免地会导致机械性能迅速下降。此外，在随后加载吸湿性盐的过程中，由于外部渗透压较高，水凝胶中的水分会被排出，导致其体积收缩，孔径恢复到初始状态。因此，当用高浓度的盐溶液加载时，保持膨胀的大孔网络水凝胶的体积不收缩是一个挑战，这对水凝胶吸附剂的高吸附速率也非常重要。

为了解决在传统膨胀水凝胶上加载吸湿性盐时由于渗透压导致的孔径收缩和吸附动力学下降的问题，我们创新性地提出了一种通过预离子屏蔽（PIS）构建超膨胀稳定大孔水凝胶（PCP/PAMPS-C-LiCl）的策略。这种复合水凝胶吸附剂巧妙地在室温下将聚丙烯酸钠（PAANa）、聚丙烯酸（PAA）和壳聚糖（CS）结合在一起，形成物理/化学交联的双网络水凝胶。此外，引入了含有磺酸基团的聚-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（PAMPS），通过静电相互作用与盐离子结合，防止盐的沉淀。PIS策略首先通过在低浓度LiCl溶液中同时对水凝胶进行电荷屏蔽和膨胀来实现。PIS膨胀后，将其浸入高浓度LiCl中以加载吸湿性盐。这种逐步加载吸湿性盐的策略使得含有吸湿性盐的大孔水凝胶能够简单制备，并展现出超快的水蒸气吸附和传输能力。在相对湿度为15％至60％的干旱环境中，12小时内的吸水能力为0.53克/克至1.72克/克；而在相对湿度为90％的情况下，2小时内即可快速获得高达4克/克的吸水能力。此外，我们还集成了一种混合光热和电热脱附系统，利用太阳能光伏板实现无需额外电能输入的全天候高效脱附（图1b）。同时，通过利用水族箱中水凝胶的蒸发来供水，我们实现了植物的健康生长。我们认为这种材料和方法在未来的温室和可持续农业中具有潜在的应用价值。

PCP/PAMPS-C-LiCl的合成与表征

PCP/PAMPS-C是通过经典的一锅法制备的（图S2，支持信息）。在合成过程中，PAA、NaOH、炭黑、CS和AMPS在室温下的水系统中充分混合，MBA和KPS分别作为交联剂和引发剂引入。PCP/PAMPS-C水凝胶通过酸碱中和和热引发交联依次制备（注S1；图S3；表S1，支持信息）。

结论

总之，我们提出了一种简单高效的方法，通过PIS膨胀制备了大孔网络聚阳离子电解质水凝胶PCP/PAMPS-C-LiCl，显著提高了其吸附动力学。PCP/PAMPS-C-LiCl通过与LiCl的静电配位防止了盐的泄漏。此外，水凝胶的大孔网络结构在PIS膨胀后不会发生显著收缩，减少了孔内的扩散传输阻力，提高了...

水吸附和脱附实验

在不同的水凝胶吸附剂样品上进行了室内恒定湿度下的吸湿测试，实验在可编程的恒定温度和湿度腔室（QinZhunHK-80G）中进行。湿度从20％RH设置到90％RH，以模拟不同的湿度环境，并定期测量样品的质量。样品在85°C下干燥过夜后，在恒定温度和湿度腔室中进行测试。吸水能力通过以下公式计算：$W_u=\frac{m_t?m_0}{}$

作者声明

我们代表我的合作者声明，所描述的工作是原创研究，尚未在任何地方发表，也未被考虑用于其他地方的发表，无论是全部还是部分。

作者贡献声明

代表所有作者，我证明本文包含原创的、未发表的工作，也未被考虑用于其他地方的发表，无论是全部还是部分。

CRediT作者贡献声明

华阳张：写作——审稿与编辑、软件、数据分析。邵军何：写作——审稿与编辑、方法学、数据分析、数据管理。宇轩何：写作——审稿与编辑、软件、方法学、数据分析。长辉付：写作——审稿与编辑、初稿撰写、软件、方法学。广义田：写作——审稿与编辑、软件、方法学。志光郭：写作——审稿与编辑、初稿撰写、指导、软件、资源管理、项目协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了湖北省重点项目（编号2024BAB117）和国家自然科学基金（编号52442507）的支持。