北航郑咏梅教授ACS Nano：新型仿生光热气凝胶实现高效大气水收集

随着全球水资源短缺问题日益严峻，到2050年预计将有40亿人面临极端缺水挑战。大气中蕴藏着约13万亿吨淡水蒸气，相当于全球湖泊总水量的10%，因此大气水收集技术被视为解决淡水危机的重要途径之一。然而，传统的露水收集和雾收集方法受限于气候和地理条件，而吸附式大气水收集技术虽适用范围广，却常面临能耗高、材料易聚集、脱附效率低等问题。近年来，金属有机框架和气凝胶材料因其高比表面积和可调控孔隙结构展现出潜力，但仍需在吸水容量、光热转换效率和结构稳定性方面实现突破。

近日，北京航空航天大学郑咏梅教授课题组受针叶树木质部多通道结构的启发，成功设计出一种具有微细胞和微纳米通道的仿生光热气凝胶，用于高效大气水收集。该气凝胶采用定向冷冻干燥和钙离子交联技术制备，以空心MIL-101、醋酸纤维素纳米纤维、海藻酸钠和聚吡咯为原料，构建出具有高比表面积和亲水位点的多级孔道结构。实验表明，该材料在40%相对湿度下吸水容量达0.73 g g⁻¹，在1太阳光强照射下5分钟内表面温度升至约85°C，40分钟内可实现约75%的水释放。户外测试中，材料日吸水量达7.84 L kg⁻¹，通过9次循环后实际集水量为5.49 L kg⁻¹，展现出优异的实际应用潜力。相关论文以“Robust Bioinspired Microcellular and Micro-Nanochannel Photothermal Aerogels for High-Efficiency Atmospheric Water Harvesting”为题，发表在ACS Nano。

研究人员从针叶树木质部的平行多通道结构中获得灵感，设计出具有定向微细胞和微纳米通道的光热气凝胶。其制备过程包括将HMIL、聚吡咯、醋酸纤维素纳米纤维和海藻酸钠的悬浮液经液氮定向冷冻和钙离子交联，最终形成具有垂直排列层状结构的气凝胶。该结构在无光条件下可捕获并存储空气中的水分子，在光照下则通过光热效应驱动水释放，实现了高效的水分子吸附-脱附循环。

图1. MMPA的设计 （a）针叶树木质部照片及其平行多通道结构示意图，展示其太阳能驱动液体传输特性。 （b）MMPA制备过程示意图：由HMIL/PPy/CANFs/SA组成的悬浮液（i和ii）经液氮定向冷冻干燥与Ca²⁺离子交联（iii和iv），形成微细胞与微纳米通道结构的光热气凝胶（v）。微纳米通道有利于水分在吸附与释放过程中的传输（vi）。 （c）MMPA用于大气水收集的示意图：无光照时捕获并存储空气中的水分子（i和ii）；光照时通过升温释放水分子（iii和iv）。

该气凝胶不仅具有超轻特性，可立于叶片之上，还能通过稳定的交联网络塑造成圆形、三角形、星形等多种形状。扫描电镜图像显示，其顶部呈蜂窝状多孔结构，孔径约为100–300微米，侧视图则展现出各向异性的层状通道，间隙在100–500微米之间。空心MIL-101颗粒均匀分布在通道壁面，作为亲水位点有效捕获水分子，而多层片状结构则为水分传输提供了理想路径。

图2. MMPA的多级结构与表征 （a）MMPA的特性：微细胞与微纳米通道结构示意图（i）；MMPA立于叶片上，展示其超轻特性（ii）；MMPA可塑造成圆形、三角形、星形和方形等多种几何形状（iii）。 （b–d）MMPA的俯视示意图与SEM图像：显示被层状结构包围的微细胞（b），尺寸约100–300微米，呈蜂窝状多孔结构（c）；孔结构与层片交织（d），HMIL颗粒分布在通道层片上（d中插图）。 （e–g）MMPA的侧视示意图与SEM图像：显示各向异性多通道（e），由层片组成的通道阵列，间隙约100–500微米（f）；层片间有桥接孔结构（g）。 （h）MMPA中微细胞与微纳米通道效应示意图：HMIL在通道层片上捕获并存储水分子（i）；光热气凝胶为水分子传输提供通道（ii，蓝色向下箭头）；光照下气凝胶将光能转化为热能，驱动HMIL释放水（iii，蓝色向上箭头）。

在光热性能方面，XPS和XRD分析证实了HMIL的成功负载与晶体结构完整性。MMPA在280–2500 nm波段的光吸收率超过90%，在1太阳光强下5分钟内表面温度迅速升至85°C，且在6次循环后仍保持稳定的光热转换能力。红外热成像进一步显示，其温度在30秒内从25°C升至63°C，300秒后达到85°C，表现出优异的快速升温特性。

图3. MMPA的光热性能表征 （a）MMPA的XPS谱图，显示C 1s、N 1s、O 1s和Cr 2p峰。 （b）MMPA的XRD谱图，显示较弱衍射峰，表明酸蚀未破坏MIL-101晶体结构，HMIL负载量少且分散均匀。 （c）MMPA在77.3K下的N₂吸附等温线及孔径分布曲线，BET比表面积约为209 m² g⁻¹。 （d）MMPA的紫外-可见-近红外吸收光谱，显示在280–2500 nm范围内吸收显著增强。 （e）MMPA在1太阳光照下的表面温度变化曲线，5分钟内升至约85°C。 （f）MMPA在光开关循环中的稳定性，6次循环后仍可达约85°C。 （g）MMPA在不同时间点的红外热像图，显示温度在30、120、180、240和300秒时分别达到约63、75、78、82和85°C。

关于水的吸附与脱附性能，MMPA在不同湿度下均表现出卓越的吸水能力：在10%、30%、40%、50%和90%相对湿度下，吸水容量分别为0.13、0.37、0.73、1.07和1.55 g g⁻¹。在光照脱附方面，随着光强从0.5增至1.5太阳，水释放率从66%提升至85%。MMPA在50次循环后仍保持0.95 g g⁻¹的释放量，结构稳定性显著优于其他对照组材料。

图4. MMPA的水吸附与释放性能 （a）MMPA在不同相对湿度下的吸水曲线，显示在10%–90% RH范围内的吸水容量。 （b）MMPA与已报道吸附材料的吸水动力学对比。 （c）MMPA在不同光强下的水释放曲线，显示在0.5–1.5太阳光照40分钟内的释放率。 （d）MMPA与不同结构气凝胶的水释放对比，显示其释放率最高。 （e）MMPA与其它材料的水释放速率对比，显示其40分钟内达到平衡且释放率最高。 （f）MMPA在50次吸附-释放循环中的稳定性，每次循环后仍保持约0.95 g g⁻¹的释放量。

户外实验在北京航空航天大学沙河校区进行，结果显示，在自然光强0.41–1.24 kW m⁻²、平均温度约30.7°C、相对湿度61.7%的条件下，MMPA在9次循环中平均总吸水量达7.96 g g⁻¹，释放量为5.43 g g⁻¹。五天测试中，其日均水释放率介于0.33–0.39 L m⁻² day⁻¹之间，总集水量达5.49 L kg⁻¹ day⁻¹，优于多数已报道的吸附材料。收集到的水质经检测，各项离子浓度均符合世界卫生组织饮用水标准。

图5. MMPA的户外大气水收集实验 （a）户外水收集自制系统示意图。 （b）户外环境参数曲线，包括温度、相对湿度和光照强度。 （c）MMPA在一天内9次吸附-释放循环中的水量变化。 （d）五天户外实验中MMPA的面积归一化产水量。 （e）MMPA与已报道材料的日集水量对比。 （f）户外收集水样的离子浓度检测结果，显示符合WHO饮用水标准。

综上所述，这项研究通过仿生设计构建出具有微细胞与微纳米通道的光热气凝胶，实现了在大气水收集方面的高效吸附、快速脱附与循环稳定性。该材料在自然光照下每日可产出约5.49升淡水，为干旱地区、野外作业等场景下的可持续水资源供应提供了可行的技术路径，未来有望在实际水收集系统中广泛应用。