AM||分子功能化生物质水凝胶用于可持续的大气水收集

研究背景

全球缺水对人类社会构成重大威胁。联合国儿童基金会和世界卫生组织报告称，全世界三分之一的人得不到安全饮用水。这一挑战是联合国可持续发展目标（SDG）6的核心，旨在确保到2030年实现普遍供水和可持续管理。鉴于人口分布和水供应之间的差异，确定普遍可得和分散的水源至关重要。大气中的水储量超过13000立方公里，是一种可持续的淡水来源。利用这一资源，基于吸附的大气集水（SAWH）已成为一个可行的解决方案，利用水分吸附-解吸不受地理限制的吸湿吸附剂容量。

对高效吸附剂材料的追求已经导致了显著的进步。理想的吸附剂的特征在于高吸水性、快速的吸附-解吸动力学和操作稳定性。该领域的候选材料包括金属有机骨架（MOF）、盐基复合材料和水凝胶，每种材料都具有独特的优势。例如，MOF有利于快速的水吸附-解吸，而盐基复合材料在水吸收方面表现出色。聚合物水凝胶具有独特的溶胀性能和可调节的聚合物-水相互作用，提供了高的水容量和可定制的吸湿性和水合性。然而，这些水凝胶中聚合物基质的可持续性日益受到挑战，例如，通常由石油衍生的合成乙烯基单体组成，如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸和聚（N-异丙基丙烯酰胺）。此类聚合物在各个行业的广泛使用预计将使全球聚合物产量增加，到2050年可能占全球化石燃料消费量的20%，突显出全球塑料和聚合物污染对环境的深远影响。

天然生物质，特别是多糖，代表了功能聚合物的巨大资源，占世界碳水化合物质量的90%以上。多糖上的官能团，主要是葡萄糖单元上的羟基，为各种官能化提供了机会。然而，它们的固有性质在用作SAWH吸附剂材料方面存在挑战。许多多糖的致密分子结构影响它们的吸湿性和水化性，降低水分吸附效率。这些特性也会使它们的加工更加复杂，通常需要特定的溶剂来生产水凝胶。此外，在水凝胶基质中加入吸湿性盐如氯化锂（LiCl）和氯化钙（CaCl2），虽然有利于水的吸收，特别是在干旱条件下，但由于盐析效应，可导致水化性降低，潜在地引起盐渗漏和损害水凝胶内的水储存。

本研究提出一种通用策略：对多糖进行分子功能化改性。首先通过烷基化接枝温敏基团（如羟丙基/丁基），改善水溶性并引入低临界溶解温度（LCST），利于低温解吸。随后引入两性离子基团，其“盐溶效应”有效解决了盐析问题，增强了盐存在下的溶胀性。该方法成功制备了分子功能化生物质水凝胶（MFBHs）。所得纤维素/LiCl MFBH在15%、30%、60%相对湿度下吸水率分别达0.86、1.32、2.18 g g⁻¹。可在50°C和60°C下分别解吸80%和95%的水。室外测试产水率高达14.19 kg kg⁻¹ day⁻¹，展示强大应用潜力。此策略利用地球丰富的生物质资源，为开发可扩展、可持续的SAWH技术提供了新途径。

相关成果以“Molecularly Functionalized Biomass Hydrogels for Sustainable Atmospheric Water Harvesting”为题发表在国际知名期刊《ADVANCED MATERIALS》(JCR一区，中科院一区top，IF=27.4 ) 上。

研究数据

图1.天然多糖作为水凝胶吸附剂的分子功能化策略。对来源于丰富生物质的天然多糖进行分子功能化处理，可提高其吸水率，降低脱附温度，活化其作为SAWH吸附剂。在室温下，水凝胶吸收水分并膨胀，代表水吸附状态（蓝色膨胀水凝胶，右上）。加热时，热响应基团之间的疏水相互作用占主导地位，导致水凝胶网络收缩并转变为水释放状态（红色收缩水凝胶，右下）。

图2.ZHPC的合成与性能研究。a）在AWH应用中分子官能化纤维素的合成路线的示意图。所描述的化学结构仅用于说明性目的。B）1H NMR谱图显示了HPC、ZHPC−1、ZHPC−2和ZHPC−3，沿着ZHPC的化学结构。c）原始纤维素、HPC、ZHPC−3和两性离子试剂（3-（（3氯丙基）二甲基铵基）丙烷-1-磺酸盐）的FTIR光谱比较。d）原始纤维素和ZHPC−3水凝胶的XRD图谱。e）纤维素水凝胶和ZHPC−3水凝胶在不同LiCl浓度溶液中的溶胀比。f）DSC测试的热流曲线，显示了HPC、ZHPC−1、ZHPC−2和ZHPC−3的相变行为。

图3.ZHPC水凝胶吸附剂的AWH性能。a）ZHPC−1、ZHPC−2和ZHPC−3/LiCl水凝胶吸附剂在30% RH和25 °C下的静态水蒸气吸附-解吸曲线。解吸条件：60 °C，15% RH。B）ZHPC−3/LiCl水凝胶吸附剂在25 °C、15%、30%和60%相对湿度下的静态水蒸气吸附-解吸曲线。解吸条件：60 °C，15% RH。c）详细描述纤维素水凝胶和ZHPC−3/LiCl水凝胶蒸发行为的热流曲线。d）ZHPC−3/LiCl水凝胶在不同温度下的静态解吸曲线，水蒸气压恒定为3.17 kPa。e）ZHPC −3/LiCl水凝胶在长时间内反复吸附-解吸循环的循环性能;吸附在30% RH下，解吸在60 °C下。f）ZHPC −3/LiCl水凝胶在循环前后的静态水蒸气吸附-解吸曲线。g）在不同相对湿度水平下的吸水和集水。h）在30%RH下使用ZHPC−3/LiCl水凝胶进行水收集的循环测试。

图4.ZHBS和ZHBC水凝胶吸附剂的材料性质和AWH性能。图（a-e）描述了淀粉体系（ZHBS），和f-j）描述了脱乙酰壳多糖体系（ZHBC），具有镜像分析。a，f）1HNMR光谱显示了HBS/HBC、ZHBS/ZHBC−1和ZHBS/ZHBC−2，包括它们的化学结构。B，g）XRD图将原始基材与ZHBS/ZHBC-1进行比较，说明结构转变。c，h）DSC热流曲线揭示了HBS/HBC、ZHBS/ZHBC−1和ZHBS/ZHBC−2的相变行为。d，i）ZHBS/ZHBC−1 LiCl水凝胶在25 ℃、15%、30%和60%相对湿度下的静态水蒸气吸附-解吸曲线，以及在60 ℃、15%相对湿度下的解吸曲线。e，j）ZHBS/ZHBC−1 LiCl水凝胶在30%RH下的吸附和60 °C下的解吸的长期循环性能。

图5.室外AWH试验。a）展示一系列含有2 wt.%大体积ZHPC解决方案，说明了合成过程的可扩展性。B）水收集装置设置。c）顶部显示吸附/解吸过程中的含水量和冷凝收集的累积水，底部显示室外温度和相对湿度数据。浅蓝色和红色区域分别表示吸附和解吸阶段。d）收集水的照片。e）ICP-MS分析，详细说明收集水中的阳离子残留物。f）基于实际AWH应用所必需的关键内在特性对不同材料进行比较分析。

研究结论

本研究开发了一种基于天然多糖（如纤维素、淀粉、壳聚糖）的环保型吸附剂（MFBHs），用于大气集水（AWH），助力可持续发展目标，。通过分子工程精细调控温敏性和两性离子基团，材料实现了优异的吸附-解吸平衡：在30%相对湿度下吸水能力达0.89-1.32 g g⁻¹，并能在60°C下解吸>90%的水分。MFBHs在室外多循环测试中表现出色，日清洁水产率高达14.19 kg kg⁻¹ day⁻¹。该策略利用可再生生物质资源，合成过程温和（主要在水相中进行），具有通用性，可拓宽吸附剂原材料来源。未来工作可进一步优化材料（如孔隙结构、导热性、光热性能）和系统设计（如太阳能利用、解吸/冷却策略），并采用绿色化工实践（如溶剂回收、闭环系统）提升生产效率和可持续性，推动其规模化应用以缓解全球水危机。

DOI:10.1002/adma.202420319

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