华东师大张利东等Angew：中空水凝胶管，一种全自动化空气中取水装置

淡水资源短缺已经成为当今社会面临的一个全球性问题。据统计，全球至少50%的人口每年至少有一个月面临缺水问题。预计到2025年，将有18亿人生活在“绝对”缺水的国家或地区，到达2050年，全球缺水人数将增加到50亿人。因此，如何实现高效、快速的淡水资源获取十分重要。据统计，大气中蕴藏着约12900 km 3的湿气资源，相当于地球上10%的淡水资源，如能有效被用于制备淡水，可解决诸多国家和地区的缺水问题。然而，传统的空气集水需要特殊的冷却设备和额外的能量辅助如热、光等实现水的释放，这无疑限制了空气集水装置的广泛应用。想象一下，只要拿着一根水凝胶管，即可从空气中源源不断的获得淡水，是何种体验？

为了实现简易的空中取水，近日，华东师范大学张利东教授团队报道了一种高分子薄膜到水凝胶管的转换策略，制备了具有特殊锥形结构的中空水凝胶管。该水凝胶管可以从潮湿的空气中吸收水分到达饱和点，然后在室温下自动持续释放淡水，整个水的收集和释放过程不需要任何外部装置及能量辅助。因此，该水凝胶管非常适用于干旱地区的应急集水。作为示例性演示，将中空水凝胶管放置在植物旁边，就可以构建简易的灌溉系统，为植物实时提供水源。由于该水凝胶管是生物降解的，因此在不需要供水后，水凝胶管会降解成为植物的肥料，无需后处理。该研究以题为“Hollow Hydrogels for Excellent Aerial Water Collection and Autonomous Release”的论文发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202415936。文章的第一作者是华东师范大学的博士研究生梁淑敏（现为山西省交通科技研发有限公司工程师）。该工作得到了中国科学院宁波材料所陈涛研究员和纽约大学Panče Naumov教授的大力支持与指导。

图1. 用于大气集水的中空水凝胶管自动集水装置原理图

海藻酸钠（SA）是一种水溶性的天然高分子聚合物，其羧基能与金属离子交联形成水凝胶网络，将CaCl2包封在凝胶网络中，可提高其吸湿性。在水反应体系中，作者采用膜-管转换策略，设计并制备了锥形水凝胶管。通过将SA溶液浇铸在玻璃模具中形成SA膜，将薄膜用剪刀剪成三角形的扁平条状，后浸入浓度为10 g L-1的CuSO4水溶液中反应7天，形成高度溶胀的内外交联度显著差异的水凝胶管。经过Ca2+的进一步置换，最终得到可吸水的锥形水凝胶管。这种独特的中空锥形结构诱导收集的水聚集在水凝胶管的底部。当它的锥形尖端被固定在土壤中时，它可以从周围的空气中收集水蒸气，然后在没有任何辅助或外部能量的情况下将液态水释放到土壤中。

图2. 锥形水凝胶管的制备和水收集过程。

水凝胶管从空气中吸收湿气后，能够有效地将湿气转化为液态水。非对称锥状结构对水凝胶管的自动化水释放具有重要意义。为了优化工艺，作者以相同重量的SA薄膜为基础，制备了一系列锥形水凝胶管，并在相同的湿润环境下进行了集水试验。实验结果表明，中空水凝胶管的锥形角为5˚时，其水收集效果最好；水凝胶管的支状结构越多，其集水效果越好，最佳集水效率可达2400 mg g-1。

图3. 锥形水凝胶管的水收集行为。

从潮湿的空气中收集水分是一个长期的过程，很难实时监控。为了自动监控集水过程，作者设计制作了一种自动检测装置。一个金属电极连接在锥形水凝胶管的顶部，另一个金属电极固定在水凝胶管出水口下方，然后用电容表连接两个金属电极。最初，出水口和电极被空气隔开，使电容为零。然而，一旦锥形水凝胶管被水分吸收饱和，在连接两个电极的出口处就会产生一个水滴，并产生可检测的信号。因此，这种变化可以用来监测水的收集过程。水滴的等待时间越长，信号峰越宽；因此，可以记录信号峰值并对其进行分析，以监测随时间变化的放水速率。

图4. 水收集检测器。

总之，该工作提出了高效的中空水凝胶管制备工艺，发展了新型水凝胶中空结构，拓展了水凝胶应用领域，为大气中水收集装置的设计提供了全新的思路与策略。

--检测服务--

论文信息：

Hollow Hydrogels for Excellent Aerial Water Collection and Autonomous Release. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202415936
https://doi.org/10.1002/anie.202415936

来源：高分子科学前沿

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