西北师范大学AM：研发“锁盐导热”双效凝胶，实现低光照低温下高效空气集水

空气集水技术亟需突破“盐泄漏”与“热传导”瓶颈

随着全球淡水资源短缺日益加剧，基于吸附的空气集水技术因其能够在低湿度干旱环境中提取水分而备受关注。然而，该技术的核心——吸湿材料——长期面临着一项难以调和的矛盾：为提高吸水量，研究者通常向聚合物网络中引入高浓度吸湿盐（如氯化锂），但这些盐在吸收水分后极易发生潮解，以液滴形式从基体中泄漏出来，不仅造成吸附容量衰减，还可能导致二次污染。与此同时，聚合物水凝胶本身导热性极差（通常低于0.2 W m⁻¹ K⁻¹），阳光照射产生的热量被困在材料表面，难以传递至内部深处，使得吸附的水分无法快速释放。如何从分子层面“锁住”盐离子，同时从结构层面“打通”热量传输通道，成为该领域亟待解决的核心难题。

“锁-对齐”协同策略打造高性能复合凝胶

针对上述挑战，西北师范大学雷自强教授、朱国锋教授、彭辉教授合作，提出了一种“锁-对齐”协同策略，成功开发出层级结构复合凝胶D-HKPB@LiCl。该材料通过在温敏性羟丙基纤维素基体中引入硫酸化卡拉胶，利用硫酸根与锂离子之间的强配位作用（结合能-0.83 eV，高于水的水合能-0.55 eV），从热力学上建立了稳固的能量壁垒，从根本上杜绝了盐泄漏。同时，采用定向冷冻技术将聚多巴胺包覆的羟基化氮化硼晶须垂直排列，构筑出贯穿材料整体的“各向异性导热高速公路”，沿冰晶生长方向的导热系数达0.49 W m⁻¹ K⁻¹。该凝胶在30%–90%相对湿度范围内的吸水容量达0.91–4.32 g g⁻¹，在一个太阳光照下最大脱附速率达3.1 kg m⁻² h⁻¹。在兰州冬季低温（平均4.3 °C）和弱光照（<0.5 Sun）条件下的户外实地验证中，配合定制的主动冷凝收集器（Scheme 1c），实现了0.78 g g⁻¹的淡水产出。相关论文以“Electrostatic Coordination Salt-Locking and Anisotropic Thermal Highways for Leakage-Free Atmospheric Water Harvesting”为题，发表在Advanced Materials上。

Scheme 1用于稳健空气集水的协同“锁-对齐”策略。（a）该策略解决了凝胶中离子稳定性、热动力学和实际适应性之间的长期权衡问题。（b）分子间相互作用，包括用于粘附的分子间氢键，以及硫酸酯基团与Li⁺的配位以牢固锚定盐离子。（c）带有侧装主动冷凝的定制收集器在空间上解耦蒸发区和冷凝区，确保干旱条件下的高效收集。

理论计算揭示“锁盐”热力学根源：硫酸根配位构筑能量壁垒

为揭示盐泄漏的微观机制及卡拉胶的稳定化作用，研究团队首先进行了密度泛函理论计算。静电势分布图显示，卡拉胶分子中硫酸根周围呈现广阔的负电势区域（红色），提供了比羟丙基纤维素和水分子更强的阳离子结合位点（图1b）。前线分子轨道分析进一步表明，卡拉胶具有更窄的HOMO-LUMO能隙（3.39 eV），反映出更高的反应活性（图1c）。最为关键的结合能计算结果从热力学上阐明了盐泄漏的本质：羟丙基纤维素与锂离子的相互作用能（-0.59 eV）与水对锂离子的水合能（-0.55 eV）相近，这意味着在潮湿环境下，水分子完全可以与聚合物链竞争，将锂离子从基体中“拽出”并带走（图1d）。相反，卡拉胶与锂离子形成稳定的配位复合物，结合能低至-0.83 eV，建立起高达0.28 eV的额外能量壁垒，有效地将盐离子“锁定”在网络内部。对锂（110）晶面的吸附能模拟也得到一致趋势，卡拉胶（-1.06 eV）较羟丙基纤维素（-0.81 eV）展现出更强的化学锚定能力（图1e）。

Figure 1盐泄漏机制及化学锚定“锁定”策略的理论分析。（a）纯羟丙基纤维素基体在高湿潮解过程中盐泄漏现象的示意图。（b）H₂O、羟丙基纤维素和卡拉胶分子的静电势分布图。（c）H₂O、羟丙基纤维素和卡拉胶的HOMO-LUMO能隙。（d）Li⁺与H₂O、羟丙基纤维素和卡拉胶的计算结合能。（e）羟丙基纤维素和卡拉胶在Li（110）晶面上的吸附能模拟。

分子动力学模拟验证动态锁定效应：卡拉胶诱导网络致密化

为从动态角度验证锁盐机制，研究人员进行了分子动力学模拟，追踪水合网络随时间的微观结构演化。在无卡拉胶的HPC@LiCl-H₂O体系中，聚合物链始终维持松散分散的构型，锂离子活动不受约束；而加入卡拉胶后（HPC/KC@LiCl-H₂O体系），体系在模拟过程中发生明显的自组织，逐渐演变为致密紧凑的聚集体结构（图2a）。这一结构致密化具有热力学驱动力——含卡拉胶体系的势能在演化过程中稳定在显著更低的能量水平，反映了卡拉胶链与锂离子形成稳定配位复合物时所释放的自由能（图2b、c）。径向分布函数分析进一步揭示，含卡拉胶体系在短距离处呈现尖锐而强烈的峰，表明锂离子的随机热运动被强特异性配位有效抑制；而无卡拉胶体系中离子迁移不受限，极易发生泄漏（图2d）。均方位移曲线定量证实了这一限制效应：含卡拉胶体系的锂离子扩散系数（0.48×10⁻⁵ cm² s⁻¹）远低于不含卡拉胶体系（0.71×10⁻⁵ cm² s⁻¹），反映出聚合物网络对离子施加的显著“笼蔽效应”（图2e）。这一观察与含卡拉胶体系更小的回转半径相吻合，证实了更为紧凑的分子构型（图2f）。上述原子尺度的理论预测在宏观实验中得到了有力验证——羟丙基纤维素/氯化锂凝胶在吸湿平衡测试中出现严重的潮解泄漏，干燥后表面残留白色盐斑，而加入卡拉胶后的凝胶始终保持稳定状态（图2g）。在长达50次吸附-脱附循环中，前者容量快速衰减，后者则几乎没有性能退化（图2h）。

Figure 2锁盐机制的分子动力学模拟及实验验证。（a）HPC@LiCl-H₂O（体系I）和HPC/KC@LiCl-H₂O（体系II）分子动力学模拟中微观结构演化的快照。（b、c）体系能量学（动能和势能）的演化。（d）径向分布函数分析，（e）均方位移曲线，以及（f）HPC@LiCl-H₂O和HPC/KC@LiCl-H₂O的回转半径曲线。（g）吸湿平衡测试的宏观观察。（h）HPC@LiCl和HPC/KC@LiCl凝胶的长期稳定性能。

材料设计与结构表征：多级相互作用网络协同构筑

基于理论验证的锁盐机制，团队进一步设计了集高效光热转化与稳固抗泄漏网络于一体的高性能复合吸附剂。首先将氮化硼晶须在空气中热氧化引入羟基（图3a），再通过多巴胺的自聚合在其表面包覆聚多巴胺壳层（厚度约30 nm），形成“软-硬”界面以改善与聚合物基体的相容性（图3b）。随后将羟丙基纤维素、卡拉胶与聚多巴胺@羟基化氮化硼共混，通过定向冷冻构筑垂直排列的三维网络，形成连续的热量传输通路，并依靠羟丙基纤维素、卡拉胶和聚多巴胺之间的氢键以及卡拉胶硫酸根与锂离子的强静电配位共同稳定凝胶结构（图3c）。X射线光电子能谱证实，热氧化后氮化硼表面氧原子百分比由2.9%显著提升至7.4%（图4a）；拉曼光谱中聚多巴胺@羟基化氮化硼除了氮化硼特征峰外，还出现了聚多巴胺中儿茶酚/醌基团的特征峰（图4b）。透射电镜显示聚多巴胺壳层均匀包覆于氮化硼晶须表面（图4c）。傅里叶变换红外光谱中，羟丙基纤维素/卡拉胶基体的特征吸收峰清晰可辨，掺入聚多巴胺@羟基化氮化硼后出现新的光谱特征（图4d）。氯化锂浸渍后，高分辨S 2p XPS谱中S 2p₃/₂结合能从168.3 eV移至168.8 eV，证实了锂离子与硫酸根氧原子之间的配位作用（图4e）。X射线衍射显示氯化锂以解离或非晶态均匀分布于聚合物网络中，这种状态有利于快速吸湿（图4f）。流变学测试表明，复合凝胶具有比纯羟丙基纤维素/卡拉胶更高的力学模量（图4g）。聚多巴胺@羟基化氮化硼赋予凝胶在200–2500 nm范围的宽谱光吸收（>92%）（图4h），差示扫描量热法测得羟丙基纤维素的相变温度约为53.4 °C（图4i）。扫描电镜显示，定向冷冻后的D-HKPB@LiCl呈现出垂直排列的微通道结构（图4j、k），能谱面扫证实聚多巴胺@羟基化氮化硼（B、N元素）沿冰晶生长方向优先排列，而氯元素均匀分布于聚合物骨架中，无任何偏析现象（图4l）。

Figure 3材料设计与层级结构工程。（a）PDA@BNO晶须合成示意图。（b）垂直排列D-HKPB气凝胶的制备过程。（c）D-HKPB@LiCl复合材料内协同分子相互作用网络示意图。

Figure 4结构表征及分子间相互作用的阐明。（a）BN和BNO的XPS谱图。（b）BN、BNO和PDA@BNO的拉曼光谱。（c）PDA@BNO的TEM图像。（d）HK、HKPB和PDA@BNO的FTIR光谱。（e）HKPB和HKPB@LiCl的高分辨S 2p XPS谱图。（f）不同材料的XRD图谱。（g）HK、HKPB和HKPB@LiCl的流变曲线。（h）HK、HKPB和HKPB@LiCl的紫外-可见-近红外吸收光谱。（i）HK、HKPB和HKPB@LiCl的DSC曲线。（j）低倍和（k）高倍SEM图像及（l）相应的EDS面扫。

吸湿性能：垂直通道加速水汽扩散，多级吸附机制揭示工作模式

为揭示化学组成与微观结构对吸湿行为的影响，研究人员对比了纯羟丙基纤维素/卡拉胶凝胶、无序HK@LiCl凝胶和定向排列D-HK@LiCl凝胶三种体系（图5a）。纯羟丙基纤维素/卡拉胶凝胶在25 °C、70%相对湿度下吸水极低，验证了引入吸湿盐的必要性（图5b）。引入氯化锂后，无序体系平衡容量达2.34 g g⁻¹，但其随机多孔结构导致水汽扩散路径曲折，初始吸附动力学受限；而具有垂直排列微通道的D-HK@LiCl凝胶初始吸附速率显著提升至1.5 g g⁻¹ h⁻¹，同时保持相当的平衡容量——开放的、低迂曲度的通道使环境空气与活性氯化锂位点直接接触，有效缩短扩散距离（图5c）。引入聚多巴胺@羟基化氮化硼的最终D-HKPB@LiCl复合材料并未牺牲吸附容量。在30%–90%相对湿度范围内，该材料水吸收容量为0.91–4.32 g g⁻¹（图5d），动力学分析显示峰值吸附速率出现在前0.5小时，90%相对湿度下达3.24 g g⁻¹ h⁻¹（图5e）。与以往报道的水凝胶基吸附剂相比，D-HKPB@LiCl的综合性能处于领先水平（图5f、g）。基于动力学数据和分子模拟，研究团队提出了多级吸附机制：首先，水分子与锚定在亲水聚合物链上的锂离子金属活性位点发生化学吸附，形成第一水合壳层；随后，吸附过程向物理吸附过渡，新进入的水分子通过协同氢键网络与现有水合层相互作用，形成类液态“自由水”层，诱导聚合物网络逐步溶胀（图5h）。在化学势梯度驱动下，这些水分子从饱和的表面活性位点向凝胶体相内部扩散储存，这一“表面捕获-内部扩散”的持续循环保证了活性位点的可及性，从而最大化整体集水容量（图5i）。

Figure 5空气集水性能及吸附机理。（a）三种结构模型的示意图：纯HK凝胶、无序多孔HK@LiCl和定向排列D-HK@LiCl。（b）不同凝胶在25 °C、70%相对湿度下的水吸收量及（c）水吸收速率。（d）D-HKPB@LiCl在不同相对湿度下的水吸收量及（e）水吸收速率。（f）不同凝胶配方在控制相对湿度条件下平衡水吸收容量的系统对比。（g）不同相对湿度条件下水吸收速率与先前报道集水器的比较。（h）分子水平多级吸附机理示意图。（i）捕获的水分从表面活性位点向水凝胶体相基质内部迁移储存的示意图。

定向导热与太阳能脱附：垂直热通道大幅提升脱附效率

吸附完成后，材料的高效再生是决定集水循环速率的关键。研究团队系统对比了三种体系的导热性能：纯HK@LiCl凝胶、含随机分散填料（HKB@LiCl）和定向排列结构（D-HKB@LiCl）（图6a）。在20 wt%填料负载下，定向排列的D-HKB@LiCl沿冰晶生长方向的导热系数达0.49 W m⁻¹ K⁻¹，是纯凝胶的三倍，热扩散率同步提升（图6b）。有限元模拟直观揭示了传热机制：纯凝胶基体导热差，热量在表面大量积聚；随机分散的填料仅能提供局部的“热桥”，无法形成贯穿通道；而垂直排列的晶须有效减少了声子散射，引导热流沿纵向通道深入材料内部（图6c、d）。加热板再生测试中，D-HKB@LiCl最大脱附速率达4.2 g g⁻¹ h⁻¹，显著高于无序体系和纯凝胶（图6e）。

在太阳能驱动脱附方面，D-HKPB@LiCl在200–2500 nm范围的太阳吸收率超过92%，远高于纯凝胶（约43.6%）（图6f）。红外热成像显示，一个太阳光照下D-HKPB@LiCl表面平均温度在60分钟内迅速达到54.4 °C，超过羟丙基纤维素的低临界溶解温度（约53.4 °C），触发疏水相变，主动释放水分（图6g）。150分钟内大部分储存水得以释放，而非光热对照样品温度仅约43 °C，5小时后仍保留54.4%的水分（图6h）。在实际淡水产出测试中，经10小时吸附后（30%–90%相对湿度），水产量随湿度升高而增加，分别达1.33、2.31、3.23、3.33和5.78 kg m⁻²；90%相对湿度下最大脱附速率达3.1 kg m⁻² h⁻¹（图6i）。对应的水收集效率在30%、50%、70%和90%相对湿度下分别为38.8%、44.2%、61.9%和74.1%（图6j）。该性能源于纵向热传导通路、高效光热转化与羟丙基纤维素热响应相变的协同——相变产生的疏水驱动力降低了水-聚合物结合能，减少了脱附能垒，热力学失稳的水分子在持续光热加热下以蒸气而非液态形式释放，在主动冷凝单元冷却表面凝结为淡水（图6k）。

Figure 6增强的热管理与光热水脱附。（a）三种水凝胶模型的示意图。（b）凝胶的导热系数和热扩散率测量。（c）有限元模拟显示凝胶的截面温度分布及（d）内部热流分布。（e）不同凝胶最大脱附速率比较。（f）凝胶的紫外-可见-近红外吸收光谱。（g）凝胶表面温度变化。（h）凝胶的时间依赖性水脱附。（i）D-HKPB@LiCl凝胶的时间依赖性水脱附。（j）不同相对湿度下的收集水量。（k）D-HKPB@LiCl凝胶在太阳触发下的水释放过程示意图。

户外验证与装置工程：主动冷凝助力低光照低温条件集水

在实际户外集水中，冷凝效率常常成为限制总产水量的主要瓶颈。为此，团队在收集器侧壁加装了光伏驱动的热电制冷器，将高温蒸发区与低温冷凝区在空间上解耦（图7a）。有限元模拟对比显示，传统被动装置内部充满高温高压水蒸气、壁温较高，冷凝驱动力不足（图7b）；而主动冷凝装置使侧壁维持低温，建立陡峭的蒸气压梯度，驱动水蒸气快速向冷却表面迁移并凝结（图7c）。2025年11月12日在兰州进行的全天候户外实验中，装置采用模块化配置，可快速拆卸并在上蒸发室与下收集室之间灵活切换（图7d、e）。夜间平均温度4.3 °C、相对湿度62.8%，D-HKPB@LiCl凝胶捕获了1.56 g g⁻¹的水分（图7f）。尽管冬季白天平均太阳辐照仅48.2 mW cm⁻²（约0.48个太阳）、环境温度12.4 °C（图7g），装置仍保持稳定性能——72.8%的捕获水分在白天释放，收集速率为0.78 g g⁻¹。热电偶监测显示，主动冷凝单元侧壁温度维持在6.2 °C，而被动单元壁面温度达48.2 °C（图7h），约42 °C的温差确保了水蒸气的快速液化，有效防止蒸气逃逸和再吸附。连续五个循环的户外实验证明产水量稳定无衰减（图7i）。收集淡水的水质分析（离子色谱、电感耦合等离子体发射光谱、总有机碳分析）确认符合饮用水标准（图7j）。与以往采用类似吸湿材料和昼夜运行模式的报道相比，本系统在低光照、低温条件下展现出更优的集水效率（图7k）。

Figure 7主动冷凝集水器的装置工程与全天候野外评估。（a）定制工程化集水器的示意图，配备侧装主动冷凝系统。有限元分析模拟比较（b）传统被动装置和（c）主动冷凝装置的热力学机制。（d）模块化集水装置示意图。（e）用于兰州户外野外测试。（f）测试夜间温度和湿度。（g）白天光强度和温度。（h）冷凝表面实时温度监测。（i）连续五个户外循环的循环稳定性测试。（j）收集淡水中的离子浓度和有机组分。（k）与先前报道的性能对比雷达图。

总结与展望：多尺度工程策略为全天候集水提供新范式

综上所述，该研究报道了一种层级结构、无泄漏的复合凝胶D-HKPB@LiCl，成功解决了空气集水领域长期存在的吸附容量与循环稳定性之间的“权衡”困境。通过利用卡拉胶硫酸根与锂离子之间的强特异性配位，该材料在分子层面实现了稳健的盐固定化，消除了传统非离子基体中持续存在的泄漏问题。同时，采用定向冷冻将光热聚多巴胺@羟基化氮化硼晶须排列成各向异性的“导热高速公路”，将沿冰晶生长方向的导热系数提升至0.49 W m⁻¹ K⁻¹，实现了快速的太阳能驱动脱附。这一协同设计使得材料在30%–90%相对湿度范围内具有高吸水量（0.91–4.32 g g⁻¹），并在一个太阳光照下达到3.1 kg m⁻² h⁻¹的脱附速率。兰州户外实地验证结合定制主动冷凝装置，证明了该系统在低温和弱光照条件下的实用可行性，淡水产量达0.78 g g⁻¹。这项工作为全天候产水提供了一个可扩展的材料平台，并通过多尺度结构和化学工程设计，为高性能水凝胶吸附剂确立了一种普适性设计范式。