可扩展的多电解质复合物吸附剂，具有每小时吸附-脱附循环，适用于干旱环境中多循环大气水收集

研究背景

淡水短缺对全球可持续发展构成严峻挑战，传统水净化与海水淡化技术因依赖集中式基础设施和地理水源，在气候变化加剧的背景下难以普适应用。大气水收集（AWH），特别是基于吸附的系统，能在低至30%相对湿度的干旱条件下提供分散、可持续的淡水来源。其关键在于开发兼具快速水汽捕获与低能耗释放的吸附材料。多孔晶体材料（如金属有机框架和共价有机框架）虽在低湿下吸水性能优异，但水解稳定性差、合成成本高，限制了规模化应用。聚合物基吸附剂则具有可加工性、化学稳定性和分子可调性等优势，其中多孔吸湿聚合物凝胶通过层级孔结构增强吸附动力学，并可引入吸湿盐和光热剂提升吸水与太阳能驱动释放性能，但许多原型仍存在吸附-脱附周期长（通常>6小时）及可扩展性不足的问题。聚电解质配合物（PECs）作为一种新兴策略，通过混合带相反电荷的聚电解质形成离子交联网络，兼具高亲水性、可逆物理交联和溶液加工性，无需有毒溶剂或共价交联剂；其离子特性为功能添加剂（如吸湿盐、氧化石墨烯）的均匀掺入提供了便利，并通过盐浓度可逆调节实现水相加工，为开发高效、可扩展的AWH材料提供了新路径。

本研究报道了一种可扩展的聚电解质配合物（PEC）基吸附剂，由聚苯乙烯磺酸盐（PSS）和聚二烯丙基二甲基铵（PDADMA）组成，并与氯化锂（LiCl）和氧化石墨烯（GO）集成，专为低相对湿度（≤30%）条件下的太阳能驱动大气水收集（AWH）设计。该混合吸附剂通过水相反转工艺实现百克至千克级制备，形成了高度多孔的带电位点网络。在25°C、25%相对湿度下，其吸水速率达0.18 g·g-1，并在15分钟内实现太阳能驱动的完全解吸。凭借1小时的快速吸附-脱附循环，该材料在实验室测试中实现了4.48 L·kg-1·天-1的产水率（24次循环），在户外实地测试中达到1.37 L·kg-1·天-1（9次循环），且无需外部能量输入。该研究展示了PEC基吸附剂作为一种可扩展、经济高效的平台，在干旱地区分散式集水中的巨大潜力。

相关内容以“Scalable Polyelectrolyte Complex-Based Sorbent With Hourly Sorption−Desorption Cycles for Multicyclic Atmospheric Water Harvesting in Arid Environments”为题，发表在国际知名期刊《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》上。(中科院一区TOP，JCR一区，IF=19)

相关数据

图1.采用PEC−Go-LiCl吸附剂，在干旱环境中实现快速吸附-脱附循环的太阳能驱动吸附式AWH示意图。高度多孔的PEC基质富含聚合物离子对和吸湿性LiCl离子的吸水位点。光热GO板均匀分布在PEC基质中，实现太阳能驱动的水脱附。

图2.（a） PEC−GO溶液制备程序的示意图。（b） 归一化1PEC−GO溶液中不同Z层的上清液H NMR光谱。箭头表示PDADMA的典型峰值为3.75 ppm（IPDADMA).（c） 我PDADMAPEC（黑色）和PEC−GO（红色）溶液上清液的值随Z变化。虚线表示Z值，其中 IPDADMA趋近于零，分别确定PEC和PEC−GO解为1.0和0.7。（d） 离心后相分离的PEC−GO溶液（低聚合物浓度）照片，显示形态变化在不同光速下KBr.（e）用于可扩展处理的水相反演示意图。照片展示了溶液沉淀的PEC−GO珠。

图3.（a） 扫描电子显微镜（SEM）图像，揭示PEC–GO珠的多孔内部结构。标注有比例杆。（b） PEC−GO拉曼光谱（黑色）和无GO的PEC拉曼光谱（红色），在1332厘米和1604厘米处显示出GO的典型D和G波段−1，分别。（c） PEC−GO在488 nm激发（左）、640 nm激发（中）和合成图像（右）下的光致发光（PL）图像，展示了PEC和GO荧光信号的空间重叠。刻度条表示50微米（d）热重分析（TGA）曲线的PEC−GO（红色）和PEC−GO−LiCl（黑色），确认了LiCl的加入。（e）SEM图像（灰色）及相应的能量色散X射线光谱（EDX）PEC−GO−LiCl元素图，显示氯化物（品红）、碳（红色）和氧气（黄色）的空间分布。比例条代表250微米（f）PEC−GO−LiCl的代表性透射电子显微镜（TEM）图像，展示了无可观测LiCl晶体的纳米尺度形态。比例条代表250纳米。

图4.（a） PEC−GO−LiCl 在10（黑色）、20%（红色）和30%（蓝色）相对湿度的动态蒸气吸附（DVS）剖面。（b） 一台定制AWH装置的照片，配备装有PEC−GO−LiCl吸附剂的Styroform@PTFE支架。插图显示了45分钟后在单太阳通量下设备的视窗内凝结水，刻度条表示5毫米。（c） PEC−GO（黑色）和PEC−GO−LiCl（红色）在时间依赖的水吸附（闭符号，25% RH和25°C）的行为（开符号，在单太阳通量下）表现。（d） 太阳照射期间的PEC−GO−LiCl红外热成像。图片中标明了曝光时间。（e）实验室规模PEC−GO−LiCl的多周期AWH性能。总排量为4.48升千克−1大气中的水在24小时内连续24个循环收集，每个循环包括15分钟的吸附（相对湿度25%，摄氏25°C）和45分钟的脱吸步骤（在单太阳通量下）。

图5.（a） 定制大型AWH原型的照片，由一个泡沫塑料支架（38 × 38厘米）组成，配有36个矩形井（5×5厘米），每个井装有3.7克PEC−GO−LiCl吸附剂。（b） 实验期间环境温度、相对湿度和太阳通量的剖面，记录于2024年1月20日。（c） PEC−GO−LiCl装置在自然阳光下运行的多周期AWH性能。每个周期包括15分钟吸附，随后45分钟太阳能驱动脱附。总共1.37升 千克−1大气中水在上午8：30至下午6：30间共9个完整周期内收集。（d） 大型户外实验9个周期后采集的液态水代表性照片。比例条表示5厘米。（e） 使用多种吸附剂的大型AWH原型在户外环境条件下的每日水产量。吸附期间的相对湿度及由太阳能驱动的脱附温度（T太阳能）和热（T热成像）每个系统的能量在图中显示。

研究结论

本研究开发了一种高性能聚电解质配合物（PEC）基吸附剂（PEC−GO−LiCl），用于干旱环境（相对湿度≤30%）下快速小时级吸附-脱附循环的多循环大气水收集（AWH）。该材料通过全水相、可扩展的环保工艺制备，涉及溶液混合、相反转与盐退火，无需化学反应或有毒有机溶剂，可实现千克级生产并形成高度多孔结构。PEC基体中的协同静电相互作用实现了吸湿性LiCl盐与光热氧化石墨烯（GO）片层的结构集成，使吸附剂在25°C、25%相对湿度下具有0.18 g·g⁻¹的快速吸水能力，并在15分钟内实现完全解吸（单太阳照射下55分钟），从而支持1小时的全周期运行，显著提升低湿度条件下的日产水率。采用百克级吸附剂构建的大型AWH原型在真实户外条件下实现了每日1.37 L·kg⁻¹的集水性能，且多天重复性验证了系统的稳健性。从实验室到现场规模的性能一致性表明该材料具有优异的可扩展性。综合来看，快速吸附-脱附动力学、太阳能再生与低成本水相制造的结合，使PEC材料成为分散式、可持续集水应用的理想平台，并拓展了其在能源-水资源交叉领域的实际应用潜力。

DOI:10.1002/adfm.202527341

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