面對全球性淡水資源短缺的挑戰(zhàn)，開發(fā)如何有效獲取淡水資源的方法至關(guān)重要。大氣中蘊(yùn)藏著豐富的淡水資源，其中一部分主要以濕氣的形式存在，并分布于地球的每一個角落。近年來，針對淡水短缺問題，有效開發(fā)并利用濕氣資源成為一種有意義的解決方案，吸附式空氣取水（Sorption-based AWH，SAWH）技術(shù)為此提供了實(shí)際的借鑒，其核心在于利用吸附劑自發(fā)汲取周圍空氣中的濕氣分子，并通過合適的方式進(jìn)行脫附以實(shí)現(xiàn)淡水收集。在此過程中，吸附劑的性能往往決定了最終的淡水獲取量。吸濕性鹽-凝膠復(fù)合材料（Hygroscopic salt-hydrogel composites，HSHCs）是通過將吸濕性的無機(jī)鹽負(fù)載到具有溶脹性能的聚合物凝膠中而制得，兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)。它們能夠在快速吸附濕氣的同時，將其以溶脹的形式儲存在聚合物網(wǎng)絡(luò)中而不發(fā)生泄漏，因此被認(rèn)為是一種理想的SAWH材料選擇。然而，HSHCs中致密的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其內(nèi)部傳質(zhì)速率緩慢，通常表現(xiàn)出較低的SAWH動力學(xué)（包括吸濕和脫濕動力學(xué)），因而往往呈現(xiàn)出有限的空氣取水性能。

研究表明HSHCs的SAWH過程主要受其凝膠內(nèi)蒸汽傳輸、表面吸附和液體擴(kuò)散的影響。因此，近年來研究者們致力于開發(fā)不同的策略，如降低材料尺寸或制造多孔凝膠體系，以增加與蒸汽的接觸面積、縮短凝膠內(nèi)部液體擴(kuò)散距離，以此來實(shí)現(xiàn)對于HSHCs的吸濕/脫濕動力學(xué)性能的提升。例如，將宏觀塊狀HSHCs轉(zhuǎn)化為更小維度的結(jié)構(gòu)材料，如微凝膠和纖維等，可顯著擴(kuò)大其吸附/脫附表面，進(jìn)而直接增強(qiáng)其動力學(xué)性能。此外，通過冷凍干燥方法將大分子聚合物（如海藻酸鈉、聚丙烯酸鈉、羥丙基纖維素等）制備成具有多孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠，也已被證明能有效提升其SAWH動力學(xué)。這些方法雖然能夠提升HSHCs的動力學(xué)性能，但通常會犧牲其溶脹特性，最終導(dǎo)致其SAWH性能不足。與前期主要關(guān)注凝膠結(jié)構(gòu)層面設(shè)計不同，目前很少有報道通過對其分子層面的凝膠網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化來促進(jìn)HSHCs動力學(xué)性能的研究。特別是對于目前HSHCs中常用的，具有低成本、穩(wěn)定的共價網(wǎng)絡(luò)、可擴(kuò)展的制造特性等特點(diǎn)的凝膠體系，如聚[2-（甲基丙烯?；趸┮一鵠二甲基-（3-磺酸丙基）氫氧化銨（PDMAPS）、聚丙烯酰胺（PAM）、聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）等，亟需一種通用的策略來改善其吸濕/解吸動力學(xué)速率。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊陳濤研究員、肖鵬研究員長期從事吸濕聚合物凝膠的構(gòu)筑及其在大氣水收集方面的研究（Angew. Chem. Inter. Ed. 2020, 59, 19237；Adv. Mater. 2021, 33, 202103937；Matter 2022, 5, 2624；Adv. Fiber Mater. 2023, 5, 588等）。近期，該團(tuán)隊與德國馬普微結(jié)構(gòu)物理研究所倪鋒合作，提出了一種通用網(wǎng)絡(luò)工程策略以增強(qiáng)HSHCs的SAWH動力學(xué)性能。通過發(fā)展了一種冷凍凝膠法（cryogelation）開發(fā)出了一類新型的纏結(jié)網(wǎng)狀水凝膠（Entangled Mesh Hydrogels，EMHs）。 相對于常規(guī)法制備的凝膠, EMHs表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的物質(zhì)傳輸特性，進(jìn)一步復(fù)合吸濕性無機(jī)鹽，最終實(shí)現(xiàn)了快速的空氣取水應(yīng)用。

首先，將凝膠前驅(qū)液在低溫下凍結(jié)，使其內(nèi)部形成大量相互連接的冰晶，與此同時，前驅(qū)液中的溶質(zhì)由于冰晶的限制作用自發(fā)地聚集形成了許多微域。隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)行，微域中擁擠的單體逐漸形成高度纏結(jié)的網(wǎng)狀聚合物骨架。隨后將冷凍凝膠在室溫下解凍，制備得到具有互連、開放的大孔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的EMHs（圖1a）。值得注意的是，這種方法具有普適性，適用于當(dāng)前HSHCs中常用的各種單體，包括DMAPS、DAC、AM、NIPAM等，以制備EMHs，進(jìn)而提供了極大的材料選擇多樣性。與常規(guī)聚合法制備的致密水凝膠（Coventional Dense hydrogels，CDHs）中的網(wǎng)格尺寸（ξ< 50 nm）相比，由于EMHs中許多高度纏結(jié)微區(qū)的形成并表現(xiàn)出受限溶脹的特性，因此在其微區(qū)之間產(chǎn)生了大量微米級的大孔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖1b）。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的差異進(jìn)而導(dǎo)致了兩者在質(zhì)量傳輸特性上的顯著不同。實(shí)驗證明，EMHs表現(xiàn)出比CDHs更快的溶脹動力學(xué)特性（圖1c）。進(jìn)一步，在凝膠中加入氧化石墨烯（GO）和氯化鋰（LiCl），制備得到具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換性能的吸濕性 EMHs（HEMHs），其在典型的干旱氣候條件下（30% RH，1.0 kW m-2）表現(xiàn)出優(yōu)異的吸濕動力學(xué)和太陽光驅(qū)動的脫濕動力學(xué)性能（圖1d）。其性能優(yōu)于吸濕性CDHs（HCDHs）和報道的各類用于SAWH的吸附劑（圖1e）。

這項工作為有效改善目前HSHCs緩慢的吸濕/脫濕動力學(xué)速率，推動它們向下一代SAWH技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。值得注意的是，這種旨在提升凝膠物質(zhì)傳輸能力的通用網(wǎng)絡(luò)工程策略在如電池、催化以及生物醫(yī)藥等新興領(lǐng)域中也表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。該工作近期以題為“Entangled Mesh Hydrogels with Macroporous Topologies via Cryogelation for Rapid Atmospheric Water Harvesting”的論文發(fā)表在Advanced Materials（Adv. Mater. 2024, DOI:10.1002/adma.202314175）。

該研究得到了國家自然科學(xué)基金（52373094）、寧波市科學(xué)技術(shù)局（2021Z127）、寧波市國際合作項目（2023H019）、中德合作國際交流項目（M-0424）、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會（No.2023313）、德國洪堡基金會等項目的資助。

圖1 提高HSHCs的SAWH動力學(xué)的網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計策略

（海洋實(shí)驗室 孫嘉駿）