全球淡水短缺是21世紀最緊迫的挑戰(zhàn)之一，尤其是在干旱和半干旱地區(qū)。傳統(tǒng)的水資源供應方式如海水淡化和廢水回收受限于高能耗和資源依賴，難以大規(guī)模推廣。大氣水收集（AWH）技術作為一種分散式、地點無關的解決方案，能夠直接從空氣中提取水蒸氣，但其發(fā)展仍面臨吸附劑在高吸濕量、快速解吸與低能耗再生之間難以兼顧的難題。

近日，南京林業(yè)大學陸依副教授提出了一種多尺度復合材料，通過協(xié)同垂直排列的脫木素質(zhì)木材（DW）微通道、微孔MOF-801域和熱響應性PNIPAM-MXene界面，實現(xiàn)了高效的大氣水收集與低能耗釋放。該材料在濕度條件下吸水率達0.82 g/g，并在模擬太陽光下釋放約93.9%的吸附水，分子模擬進一步證實了其通過破壞氫鍵促進水釋放的機制。相關論文以“Synergistic Structural Alignment and Interfacial Switching Enable Fast and Low–Energy Water Release in Solar–Driven Atmospheric Water Harvesting”為題，發(fā)表在

Advanced Functional Materials

圖1. 大氣水收集器（DWM-PM）系統(tǒng)的概念設計。a) DWM-PM在吸附-解吸過程中的工作原理圖。b) 大氣水收集裝置可在夜間吸水并在白天陽光下解吸。

研究團隊首先通過化學處理制備了垂直排列的脫木素質(zhì)木材微通道，成功去除了木質(zhì)素，增強了親水性，為MOF-801的限域生長提供了理想基底。FTIR和XRD分析證實了木質(zhì)素的有效去除和MOF-801的成功合成，氮氣吸附-脫附測試顯示其比表面積從1.5 m2/g顯著提升至234.2 m2/g。SEM和EDS圖像顯示MOF納米顆粒均勻分布在木材通道內(nèi)，Zr元素分布均勻。隨后，通過將MXene納米片與PNIPAM結合，構建了具有光熱響應和動態(tài)潤濕性調(diào)控功能的界面層，XPS分析驗證了PNIPAM-MXene的成功組裝。

圖2. DWM-PM的制備與應用。a) DWM-PM的制備流程。b) Ti?C?T?的制備過程。c) PNIPAM-MXene的結構變化機制與親水-疏水轉(zhuǎn)變特性。

圖3. NBW、DW、DWM、DWM-PM的表征。a) FTIR光譜。b) XRD圖譜。c) N?吸附-脫附等溫線。d–g) NBW、DW、DWM、DWM-PM的橫截面SEM圖像。h–k) 縱截面SEM圖像。i) DWM-PM縱截面的EDS元素分布圖。m) XPS光譜。

該復合材料在80%相對濕度下達到0.82 g/g的吸水率，顯著高于未修飾樣品。吸附動力學符合Fickian擴散模型，擴散系數(shù)隨濕度升高而增加。在解吸過程中，PNIPAM-MXene界面在光照下發(fā)生親水-疏水轉(zhuǎn)變，接觸角從38°升至95°，顯著降低了水解吸的活化能（降低約19%），并在1小時內(nèi)實現(xiàn)94.4%的解吸效率。循環(huán)測試表明材料具有良好的穩(wěn)定性，10次循環(huán)后仍保持96%的初始吸附容量。

圖4. 復合材料的水蒸氣吸附、動力學與循環(huán)穩(wěn)定性評估。a) 不同MOF-801前驅(qū)體條件下DWM的性能研究。b) 在24°C、80% RH（吸附）和20% RH（解吸）下的時間-吸水量與解吸曲線。c) 阿倫尼烏斯曲線計算表觀活化能（E?），證實DWM-PM解吸能壘降低。d) 不同RH條件下的動力學吸附曲線。e) M?/M?與t1/2關系圖展示Fickian擴散行為及提取的擴散系數(shù)。f) 連續(xù)吸附-解吸循環(huán)顯示良好的長期穩(wěn)定性。g) 溫度依賴性接觸角測量顯示PNIPAM在LCST附近誘導的親水-疏水轉(zhuǎn)變。h) 本研究DWM-PM復合材料（紅色星號）與文獻中代表性AWH系統(tǒng)在不同RH下的吸水性能對比。

在光熱性能方面，DWM-PM在1太陽光照射下表面溫度迅速升至68°C，光熱轉(zhuǎn)換效率達96.1%，遠高于對比樣品。溫度升高觸發(fā)PNIPAM相變，促進水分子從MOF微孔中釋放。時間分辨質(zhì)譜分析顯示，水解吸速率與光照強度正相關，進一步證實了光熱-熱響應協(xié)同機制的有效性。

圖5. 光熱行為與太陽能觸發(fā)的水釋放性能。a) NBW、DW、DWM-M和DWM-PM在1太陽光下120分鐘內(nèi)的紅外熱成像溫度對比。b) DWM-PM表面溫度時空分布的3D可視化圖。c) 模擬陽光下DWM-PM的太陽能驅(qū)動水釋放示意圖。d) UV-Vis-NIR吸收光譜顯示PNIPAM-MXene接口的寬譜光捕獲能力。e) DWM、DWM-M和DWM-PM的水解吸效率與光熱轉(zhuǎn)換效率（PCE）變化曲線。f) 不同光照強度下的質(zhì)量變化與水釋放速率曲線。g) 不同太陽輻射強度下DWM-PM的表面溫度曲線。h) 與代表性MOF基材料的太陽能驅(qū)動水釋放性能對比。

分子動力學模擬從原子層面揭示了水釋放機制：在DWM-PM系統(tǒng)中，PNIPAM的相變動態(tài)破壞水分子與材料間的氫鍵網(wǎng)絡，使水分子擴散系數(shù)提高約16.5倍，從而顯著加速水解吸過程。這一機制與實驗觀察到的活化能降低和高解吸效率高度一致。

圖6. 分子動力學模擬揭示分層復合材料中的水釋放機制。a) DWM中水分子分布快照顯示MOF微孔和纖維素界面由氫鍵錨定的密集水合網(wǎng)絡，1000 ps內(nèi)僅中等數(shù)量水分子釋放（Loos = 234）。b) DWM-PM中PNIPAM-MXene接口在加熱后觸發(fā)熵驅(qū)動的線圈-球狀轉(zhuǎn)變，動態(tài)破壞界面氫鍵并主動排出結合水，導致釋放分子數(shù)增加約1.5倍（1000 ps時Loos = 359）。底部示意圖為系統(tǒng)組分的原子模型。c) DWM和DWM-PM系統(tǒng)中限制水分子的均方位移（MSD）隨時間變化曲線。d) DWM和DWM-PM的水分子逃逸曲線。

最后，團隊構建了雙室原型機進行實地測試，模擬“夜間吸附-白天解吸”的自然循環(huán)。在自然光照下，材料表面溫度超過68°C，成功觸發(fā)水釋放并在冷凝表面收集液態(tài)水。在7天的戶外測試中，晴天平均收集水量為0.32 g/g，較陰天提高88.4%，展現(xiàn)出良好的環(huán)境適應性和實際應用潛力。

圖7. 戶外演示與太陽能驅(qū)動大氣水收集的實際評估。a) 裝載DWM-PM的可調(diào)式原型收集器照片。b) 在南京林業(yè)大學校園進行的24小時野外試驗示意圖與實驗 setup。c) 環(huán)境溫度、相對濕度和太陽輻射通量的實時監(jiān)測。d) 太陽能驅(qū)動解吸過程中收集器內(nèi)表面水霧形成與液滴 coalescence 的視覺跟蹤。e) 不同模擬太陽強度下吸附、解吸和收集水的質(zhì)量。f) DWM-PM在7個循環(huán)中的戶外集水性能。

該研究通過多尺度結構設計與界面協(xié)同，成功克服了大氣水收集材料在吸附容量與再生能耗之間的傳統(tǒng)矛盾，為干旱地區(qū)提供了可持續(xù)、低能耗的淡水解決方案，具有廣泛的推廣應用前景。

來源：高分子科學前沿

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