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海藻糖（Curdlan）是一种由细菌产生的线性β-(1,3)-D-葡聚糖，它是一种多糖，也就是由多个糖分子组成的大分子聚合物。海藻糖的独特性质包括其热凝胶性，即在加热的条件下能够在水溶液中形成凝胶。这种凝胶性质使得海藻糖在食品工业、医药、化妆品和生物材料领域有着广泛的应用。海藻糖通常预备以下的优良特性：
（1）稳定性：海藻糖对热和酸具有很高的稳定性，这使得它在多种工业应用中非常有用。
（2）生物相容性：由于其来源于生物且具有非免疫原性，海藻糖在医药和化妆品行业中常用作稳定剂和乳化剂。
（3）吸水性：海藻糖能够吸收水分，这使得它在保湿产品和作为药物递送系统中的水凝胶载体时非常有用。
（4）形成凝胶的能力：在加热条件下，海藻糖分子之间可以形成螺旋结构并相互交织，形成稳定的凝胶网络。
在本篇研究工作中，海藻糖被用作制备吸湿凝胶（TCP-Li）的成分之一，其形成凝胶的能力有助于增强凝胶的吸水性和结构稳定性，这对于提高凝胶在温室中回收水分的效率至关重要。
近期，上海交通大学王如竹、黄丹枫以及新加坡国立大学李俊团队以海藻糖作为原料制备了一种名为TCP-Li的新型吸湿凝胶，它具有出色的水分吸收能力（3.38 g水/g吸附剂）和快速的太阳能热解水释放能力。相关内容以“Solar-driven scalable hygroscopic gelfor recycling water from passive planttranspiration and soil evaporation”为题发表在《Nature water》上。
图1 TCP-Li的设计和表征
研究人员开发了一种新型的多孔凝胶材料（TCP-Li），用于高湿环境中的高效吸湿和太阳能驱动的水分回收。这种凝胶通过交联-冷冻干燥工艺合成，涉及将海藻糖（CUR）引入二氧化钛氮化物（TiN）纳米粒子溶液中，在80°C下加热并机械搅拌以确保均匀混合。高温有助于拆分CUR的三螺旋结构，形成大量解离的单螺旋。聚丙烯酸钠（PAAS）作为吸湿基质和增稠剂加入，增强了在高相对湿度（RH）水平下的水分吸收能力，并防止因膨胀导致的盐溶液泄漏。
图2 TCP-Li对水的吸附和解吸性能
研究人员使用加速表面面积和孔隙度系统（ASAP）确定了在30°C下，含有35%盐浓度的TCP-Li的水分吸附等温线。LiCl、PAAS和CUR的结合显著提高了TCP-Li在广泛相对湿度（RH）范围内的水分吸收能力。在60% RH以下，LiCl主要通过化学吸附、LiCl·H2O的潮解和LiCl溶液的吸收这三个阶段贡献于水蒸气吸附。在高RH条件下，PAAS通过氢键和多层吸附来吸收水分，增强了TCP-Li在如温室等高RH环境中的吸水性。LiCl弱结合的水转移到CUR和PAAS凝胶网络中，与羟基形成氢键，进一步提升了TCP-Li的吸附能力。PAAS和CUR不仅储存捕获的水，还因其膨胀特性防止了盐溶液的泄漏。在30°C下，TCP-Li在30%、45%、60%、75%和88%的RH下分别展示了0.90、1.30、1.93、2.67和3.91 g水/g吸附剂的显著水分吸收值。
通过在恒温恒湿箱中测试不同LiCl填充浓度对TCP-Li水分吸收能力的影响，发现35%的LiCl浓度为最优。即使在30% RH下，由于CUR和PAAS的保护，TCP-Li也能保持稳定和有效，防止了液化和潮解。热重分析（TGA）用于阐明TCP-Li凝胶的水分释放行为和热稳定性，结果表明，LiCl·H2O中的水分只占TCP-Li凝胶总水分的10%，表明大部分水未结合并容易蒸发。在TGA过程中，水的损失速率在约90°C时达到峰值，之后在50°C至130°C之间，TCP-Li凝胶能保持相对较高的水分损失速率。
在模拟阳光下评估了TCP-Li、TCP和CP的太阳能蒸发性能，结果显示，利用TiN的独特局域表面等离子体共振（LSPR）效应，TCP在20分钟内底部温度迅速升高至70°C以上，并保持表面温度超过90°C。TCP-Li由于较高的水吸收初始温度较低，但随着连续水分蒸发，底部温度逐渐增加，最终达到与TCP相当的水平，证明了有效的太阳能驱动解吸。在蒸发过程中记录了TCP-Li、TCP和CP的质量变化，斜率代表蒸发速率。与CP相比，由于TiN的光热性能，TCP在一半的时间内完成了相同的解吸。由于TCP-Li较高的水分吸收，需要大约50分钟完成解吸过程，这在如温室等应用场景中是完全足够的。
总之，TCP-Li展示了高平衡吸附能力、低再生温度和快速吸附动力学。与其他水分收集材料相比，TCP-Li具有达到3.38 g水/g吸附剂的吸附能力，同时确保了相对较低的再生温度，显示出作为大气水分收集有效吸附剂的显著潜力。经过15个完整的吸附-解吸循环后，TCP-Li的吸附容量和动力学仍然稳定，衰减不到3%。即使在实际使用14天后，在超过90% RH的温室中，TCP-Li的吸附性能也没有显著下降。
图3 TEAD设计图
TEAD（Transpiration and Evaporation Adsorption Device）是一种为温室环境设计的太阳能驱动装置，用于在24小时内完成一次吸湿和解吸周期，与标准大气水收集器（SAWH）需要快速吸湿-解吸周期的应用不同。TEAD利用夜间高湿度和白天低湿度的温室特性，在夜间吸收由植物蒸腾和土壤蒸发产生的水蒸气，白天则利用太阳能加热吸湿剂，使水蒸气在冷凝器表面冷凝成液态水，实现水分的回收和再利用。本研究中集成的TEAD主要由中空的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基座、固定在内侧的吸收床和中空的PMMA冷凝器盖组成。模块化的TCP-Li（35%盐浓度）覆盖在背面的无尘纸和双面胶带上，形成两侧的吸收床。
图4 通过TEAD进行温室水收集
图5 TEAD温室灌溉推广示范
通过记录了TEAD在不同环境条件下的温度变化、水分产量和产水速率，以及与其他温室水分收集设备的性能比较。研究了TEAD对作物生长和灌溉需求的影响，包括土壤湿度的维持、灌溉量和节水比率的记录，以及作物生长指标（如叶片数量、长度、鲜重、干重和叶绿素含量）的比较。这些结果表明，TEAD不仅能有效回收温室中的水分，还能显著减少作物的灌溉需求，同时不影响作物的正常生长，证明了其在提高温室水分利用效率和促进节水农业方面的潜力。
全文总结：
本文报道了一种新型太阳能驱动的吸湿凝胶（TCP-Li），它通过特定的交联-冷冻干燥工艺合成，具备在高湿度温室环境中高效回收水分的能力。该凝胶集成了LiCl、PAAS、CUR和TiN，形成了多孔网络结构，显著提升了吸水和解吸性能。研究人员开发的TEAD装置利用这种凝胶，在夜间吸收植物蒸腾和土壤蒸发产生的水蒸气，白天通过太阳能解吸释放水分，用于植物灌溉，实现了无需额外能源输入的水分循环利用。在新加坡国立大学的温室测试中，TEAD展现了出色的水分回收效率和节水潜力，平均节水效果达到44.9%，同时不影响作物的正常生长。这项技术为应对全球水资源短缺、优化现代农业水资源利用提供了创新解决方案，展现了在可持续农业和节水型农业发展中的广阔应用前景。
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