成都理工大学李小可、王红兵课题组CEJ||通过分子工程设计热力学锚定位点，可设计稳定且高容量的生物质水凝胶用于大气水分收集。

第一作者：夏俊（成都理工大学）

通讯作者：李小可（成都理工大学）

通讯单位：成都理工大学材料与化学化工学院

DOI:10.1016/j.cej.2026.177888

1

成果简介

近日，成都理工大学李小可、王红兵课题组在《Chemical Engineering Journal》（IF=13.2）发表了题为“Molecular engineering of thermodynamic anchoring sites enables ultra-stable and high-capacity biomass hydrogels for atmospheric water harvesting”的研究论文。

针对大气水收集（AWH）技术中因吸附材料因盐泄漏导致的性能快速衰减与二次污染，且为实现可持续发展需要。研究团队提出了一种分子水平的热力学锚定策略，将可持续生物质资源转化为可用于可持续农业的节能AWH吸附剂。这种生物基吸附材料实现了可持续的水产，同时最大限度地减少了环境影响。通过在明胶/木薯淀粉骨架上共价接枝可电离基团（AMPS），构建特异性静电陷阱，从而抵抗强水结合力并锁定锂离子。并且通过密度泛函理论（DFT）计算证实，这些阴离子位点形成了高于水分子水合能的热力学能垒（ΔE ≈ 0.35 eV），有效抑制锂离子迁移。所制备的GTA@LiCl水凝胶在90%相对湿度下实现了5.2 g g-1的高集水容量，并在15次吸附-脱附循环中展现出优异的稳定性。此外，户外太阳能驱动的水生产实验表明，收集的水质符合农业灌溉安全标准，能够在干旱环境中将作物存活期延长25天。结合分子动力学（MD）模拟与植物生长试验，该研究揭示了功能性吸湿生物质材料在可持续发展中的潜力，以绿色可持续发展的方式缓解全球水资源短缺。

2

研究背景

全球环境恶化导致水资源短缺已成为人类面临的重大挑战，预计到2050年将有三分之二的人口面临每日用水不足的困境。 在此背景下，基于吸附的大气水收集（SAWH）技术作为一种由低品位能源驱动的分散式淡水供应方案，展现出不受地理限制、可持续提取空气中淡水的巨大潜力。然而，高性能SAWH材料的开发长期受制于水凝胶网络中高载量的吸湿盐。但由于盐离子与聚合物链之间的相互作用较弱，运行中聚集的液态水不可避免地会引发离子溶解和迁移。这种“盐分化效应”不仅会导致水收集效率迅速下降、缩短材料寿命，还会带来二次水污染和设备腐蚀的严重风险。

传统的物理封装或中性配体策略难以抵消强烈的水合动力学，而基于合成聚合物的静电锚定策略又面临不可降解和复杂的环保困境。 为打破这一瓶颈，本研究基于化学配位与生物质可塑性，提出了一种创新的离子配位锚定策略。该策略利用绿色环保的明胶/木薯淀粉（GE/TA）作为骨架，通过引入特定的阴离子静电配位位点（AMPS）作为桥梁，在生物质网络与吸湿盐（LiCl）之间构筑了高效的静电势阱。通过该策略能成功屏蔽了锂离子受到的水合力，防止了盐分泄漏。在牢固锁定盐离子的同时，兼具优异的机械稳定性与成本效益，为构建安全、可持续的高性能太阳能大气制水系统开辟了新途径。

3

研究数据

图1。基于双网络骨干和强静电相互作用的抗盐大气水收集机制。

图2。GTA@LiCl水凝胶的制备。（a）水凝胶制备图;（b）水凝胶水的吸收、运输和储存示意图;（c） 调控与LiCl配位的亲水性聚合物链示意图;（d） 聚合物链分子结构示意图;（女声）不同倍数下的GTA@LiCl水凝胶扫描电子显微镜图像：200微米和50微米;（g） GTA@LiCl的EDS元素映射。

图3。GTA@LiCl水凝胶的锂锁定策略。（a） GTA、GT、GE、ST和AMPS的FTIR光谱;（b） GTA@LiCl和GT@LiCl水凝胶Li1s光谱的XPS;（c）DSC测试中的热流曲线;（d）GT、水、GTA和Li之间配位结构示意图;（e）GT、水、GTA和Li之间的结合能量;（f） GTA@LiCl和GT@LiCl的MSD;（g）仿真系统的初始和最终状态;（h） 离子锚定示意图。

图4。吸湿性质及GTA@LiCl机制。（a） 水凝胶水蒸气吸附的示意图和数码照片GTA@LiCl;（B-D）水凝胶在30–90%相对湿度下的吸附动力学曲线;（e）GTA水凝胶的拉曼光谱;（f） 凝胶网络中的水合示意图;（g）其他报告中AWH的取水能力。

图5。光热脱附与收集性能。（a）GTA@LiCl的紫外-可见-近红外吸收光谱;（b）GTA@LiCl水凝胶在不同光强下的温度变化;（c）水凝胶的时变水脱附GTA@LiCl;（d）水脱附速率;（e）水吸附-脱附的循环性能;（f） 循环测试前后的动态吸附曲线;（g）户外环境下GTA@LiCl水凝胶的AWH;（h）户外环境下的太阳能驱动AWH;（i）收集水中的离子浓度。

图6。植物生长实验及其对土壤物理化学性质的影响。（a）AWH装置示意图;（b）设备延迟拍照;（c）第5天的发芽统计比较;（d）土壤PH测试;（e）实验前后土壤水分含量的变化;（f）基于不同材料的实际AWH特性比较分析。

4

作者简介

第一作者：

夏俊，成都理工大学材料与化学化工学院2024级硕士研究生。

通讯作者：

李小可，成都理工大学副教授，硕士生导师，西安交通大学博士后，主要从事太阳能光热转换与太阳能热利用技术相关领域的研究，截止目前共发表SCI论文及中文核心期刊论文70余篇，总他引次数超过2000次，H指数为15，并有多篇论文入选ESI热点论文和高被引论文，连续四年入选全球前2%顶尖科学家(2022，2023，2024，2025)。

邮箱：xiaokeli319@126.com

5

10.1016/j.cej.2026.177888