一、研究背景
随着人口的不断增长和水污染的持续，淡水短缺已成为一个全球性挑战，威胁着人类的可持续发展。据预测，到2050年，全球淡水需求可能增长55%。因此，任何增加获取淡水的努力都将显著提高人类的生活质量。由于大气中存在大量水分，大气集水（AWH）有望缓解当前的缺水问题。与传统脱盐或净水技术相比，AWH可以实现分散的淡水获取，而不受地理或水文条件影响。雾捕获和露水收集等早期策略，要么受到气候条件的限制，要么受到能源密集型的限制，因此不是广泛应用的可行解决方案。最近，使用吸附剂从空气中提取水，由于具有良好的环境适应性，成为了一种有前景的AWH技术。尤其，具有太阳能驱动水释放的基于吸附AWH（SAWH），由于其低能耗和易于操作，在贫困地区更具吸引力。
SAWH的效率主要取决于吸附剂的吸水性能。常规吸附剂，如活性氧化铝、硅胶和沸石，要么吸水率低，要么高温才能释放水。这推动了吸湿盐、凝胶和金属有机框架（MOFs）等众多新型吸附剂的发展。由于吸湿盐在宽RH范围内具有高吸水性，且成本低，目前已成为SAWH最常用的吸附材料之一。但它们存在潮解和团聚的缺点，导致吸水能力和吸附动力学严重退化。因此，开发合适且价格合理的吸附剂对SAWH的实际应用很重要。除了开发高效吸附剂外，还需要改进设备水平，以实现淡水的连续生产。尽管SAWH装置在材料方面已经取得了较大进展，但日产水量仍然很低，远未达到其潜力。为了实现连续和大规模的淡水生产，设计从材料到设备的整个SAWH系统至关重要。
二、研究成果
基于吸附的大气集水（SAWH）为解决全球淡水短缺问题提供了一种可持续的战略。然而，获得在宽相对湿度（RH）范围内具有优异性能的吸收剂和具有完全自主产水能力的设备，仍然具有挑战性。
近日，新加坡国立大学Swee Ching Tan报道了将氯化镁（MgCl2）创新地转化为超吸湿性镁络合物（MC），通过将吸湿性盐与有机配体以不饱和的方式配位，可以有效解决盐的潮解和结块问题。然后，MC与光热气凝胶（由藻酸钠和碳纳米管（SA/CNTs）组成）结合，形成复合气凝胶，在宽RH范围内表现出高吸水性，在95%和20% RH下分别达到5.43和0.27kg kg-1。分层多孔结构使SA/CNTs/MC表现出快速的吸收/解吸动力学，能够在70% RH下每天进行12次循环，相当于10.0L kg-1 day-1的产水量。为了实现连续且实用的淡水生产，设计并建造了一种具有两个SA/CNTs/MC的吸收层的自主大气水发生器（AWG），可以交替进行吸水/解吸过程。该装置完全自动化，由太阳能供电，无需任何其他能源消耗，节省了人力和物力。这项研究为实现自主、高性能和可扩展的SAWH提供了一种有前景的方法。
相关研究工作以“Autonomous Atmospheric Water Harvesting over a Wide Rh Range Enabled by Super Hygroscopic Composite Aerogels”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。
三、研究内容
1、SA/CNTs/MC复合气凝胶的合成与表征
SA/CNTs/MC复合气凝胶的制备主要涉及三个过程：冷冻干燥、交联和浸渍，如图2a所示。通过控制冷冻浇铸和随后的冷冻干燥制备了SA/CNTs气凝胶。为了避免结构坍塌，将气凝胶浸入CaCl2溶液中，使得Ca2+诱导交联。通过不同的冷冻模具，可以优化SA/CNTs气凝胶的尺寸和形状，以满足不同需求。交联SA/CNTs气凝胶呈现出均匀的多孔结构，平均孔径为几微米，内表面光滑。用MC溶液浸渍交联SA/CNTs气凝胶产生SA/CNTs/MC复合气凝胶（图2b）。
图1. 超吸湿性气凝胶的设计
图2c显示，SA/CNTs/MC复合气凝胶保持了均匀的多孔结构，意味着MC的负载不会破坏原始结构。MC均匀分布在SA片上（图2d）。负载在SA/CNTs上后，MC的形态没有明显变化（图2e）。图2f中元素图谱表明，MC的N、Mg、Cl与C、O一起均匀分布在SA片上，进一步证实了MC颗粒的均匀分布。图2g显示，SA的特征峰出现在1417和1614cm-1处，分别对应于COO-的不对称和对称拉伸模式。用MC修饰后，两个峰分别明显位移至1440cm-1和1631cm-1，表明MC和SA之间存在相互作用，有助于提高复合气凝胶的稳定性。如图2h所示，SA/CNTs和SA/CNTs/MC都呈现H3型等温线。SA/CNTs的BET表面积为38.9m2 g-1，可以为MC的负载提供丰富的位点。负载MC后，表面积降至18.5m2 g-1。孔体积从0.126cm3 g-1降至0.054cm3 g-1，表明一些孔被堵塞。SA/CNTs/MC的孔径约为1.7-10nm，表明了分级多孔结构。这种独特的结构可以提供丰富的水蒸气通道，从而实现快速的水吸附动力学。
图2. SA/CNTs/MC气凝胶的合成与表征
2、吸水性能
图3a、b所示，SA/CNTs/MC在环境条件（24ºC，70%RH）下1h内表现出0.84kg kg-1 h-1的快速吸水率，远高于SA/CNTs（0.22kg kg-1 h-1）和纯MC（0.56kg kg-1 h-1）。这可归因于SA和MC的协同作用，即MC赋予气凝胶优异的吸湿性，SA的多孔结构为水蒸气提供了丰富的传输通道和扩大的接触面积。图3c中，SA/CNTs/MC在20-40°C时表现出几乎一致的吸水能力，且显示出约60°C的低再生温度。应该注意的是，SA/CNTs/MC在较宽RH范围内表现出优异的吸水能力，可以极大地拓宽其对不同环境的适用性。
图3d显示了样品厚度对吸收动力学的影响，表明吸收速率随着样品厚度的增加而降低。另外，还进行了不同温度下的动态吸水，相对湿度保持在70%（图3e），吸水率随着温度的升高而增加。在70%RH下，当温度为20、30和40°C时，SA/CNTs/MC分别需要约7、5和3h才能达到吸收平衡。因此，气温更高提供的动力学更快。在不同RH下，趋势相同（图3f）。因此，相对湿度越高，吸水率越快。图3g中，水蒸气从周围空气输送到干燥的SA/CNTs/MC气凝胶，在那里被捕获并冷凝成液态水。由于SA多孔框架的亲水性，气凝胶将吸收的水以膨胀形式储存。如图3i所示，在24°C，90%RH下吸收水蒸气12h后，SA/CNTs/MC气凝胶体积增加了约38%，吸收的水可通过太阳辐射释放。图3h记录了SA/CNTs/MC中水滴生长和迁移的真实过程，较小的水滴逐渐长大，形成较大的水滴，并迁移到气凝胶的其他部分。
图3. SA/CNTs/MC的吸水性能
3、太阳能驱动的水解吸性能
SA/CNTs在宽波长范围（250-2500nm）内具有~97%的高太阳吸收率，远高于纯SA（图4a）。因此，相应SA/CNTs/MC的表面温度在最初20min内迅速升高，然后随着含水量的减少而缓慢上升（图4c）。70%RH和90%RH 的SA/CNTs/MC的平衡表面温度分别可达70.6和66.9°C左右（图4b）。水饱和的SA/CNTs/MC在1次阳光照射下显示出快速的水解吸过程（图4d）。图4e显示，当SA/CNTs/MC用70%RH和90%RH处理时，最大水解吸速率分别高达4.41和4.77kg kg-1 h-1，大大高于其他报道的材料。如图4f所示，SA/CNTs/MC表现出高的循环稳定性，且每次循环后仅≤5%的吸收水不能被解吸。同时，SA/CNTs/MC在多次吸收/解吸循环后，表现出显著的结构稳定性。
图4. SA/CNTs/MC的水解吸性能
4、大气集水性能
然后组装一个简单的装置来演示太阳能驱动的淡水生产过程。首先用90%RH处理SA/CNTs/MC气凝胶12h，然后在1次阳光辐射下进行水解吸实验。打开模拟光源后，吸收的水从水合SA/CNTs/MC气凝胶中迅速蒸发。热水蒸汽自然凝结在玻璃墙上，通过水滴、凝聚和流动的出现明显表现出淡水的产生（图4g）。SA/CNTs/MC的产水量为10.0 L kg-1 day-1，集水效率为89%。样品中存在的所有离子浓度远低于世界卫生组织标准，表明收集的水具有最高质量（图4h）。将收集的水进一步用于养鱼，并对黄鱼运动进行连续三天的监测，结果显示，黄鱼在收集的水中生活得很好，证实了水质良好。
图5. AWG的示意图
5、太阳能驱动的自主大气水发生器（AWG）
为了实现连续和大规模的淡水生产，研究者设计并建造了一个完全由太阳能驱动的自主大气水发生器（AWG），具有两层吸收层（一层释放水，另一层捕获水）。如图5a所示，该装置主要由四部分组成：吸收室、解吸室、控制系统和太阳能系统。吸收室具有遮阳板，以避免在水捕获过程中阳光直接暴露于SA/CNTs/MC气凝胶。如图5b所示，水蒸气倾向于从腔室的上部移动到其下部区域。水蒸气开始在较低的区域中沉淀，可通过水质量分数的增加来确定（图5c），这将促进水在底部凝结。
在吸收室中进行水捕获过夜（平均80%RH），第二天8:30 AM，两个吸收层自主移动到解吸室进行水分释放（图5e）。太阳通量和环境相对湿度是从实验场地附近的气象站获得，如图5f所示。一旦吸收层暴露在阳光下（上午8:30），解吸室内的温度迅速升高（图5g），造成温室效应，从而减少解吸层的辐射热损失。总之，解吸室内RH在20min内从约74%增加到96%（图5g），表明了快速的水解吸过程。图5d显示，上午11:30，收集水总计约9.4mL。以这种方式，一天可以实现八个连续的吸收-解吸过程，可以收集总共约24.6mL的水（图5h），相当于1.64L kg-1 day-1的淡水产量。在室内和室外条件下，设备产水量远高于先前已报道的设备（图5i）。注意，该设备用途广泛，可以与其他吸附剂一起使用，具有更有利/可调谐的特性，以进一步提高器件的性能。
四、结论与展望
总之，从材料制备到器件设计，实现了太阳能驱动SAWH的全面改造。首先，将MgCl2创新性转化为MC，可以有效解决盐的潮解和结块问题。然后，制备了具有分级多孔结构的SA/CNTs/MC复合气凝胶，其在宽RH范围内表现出优异的水蒸气吸收能力、快速的吸水/解吸动力学、易于再生和高循环稳定性。在相对湿度95%和20%时，SA/CNTs/MC的平衡吸水率分别高达5.43和0.27kg kg-1。最有趣的是，阳光可以以高达4.77kg kg-1 h-1（1次阳光照射）的水解吸速率驱动水的释放。为了演示应用，研究者设计并制造了一种具有两个吸收层的完全太阳能驱动的自主AWG，可以交替进行水蒸气吸收和解吸过程。这项工作为开发便携式、低成本、高生产率的太阳能吸附式AWH系统开辟了一条新道路。
文献链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202310219
