目前，全球人口已达 80 亿。据世界资源研究所报道，全球一半人口每年至少有一个月处于高度缺水状态。全球水资源短缺问题的解决己迫在眉睫。幸运的是，大气中蕴藏着丰富的水汽资源。吸附式空气取水技术（SAWH）因其应用范围广、低碳环保等特性而备受关注。该技术利用吸附剂捕获空气中的水分子，再通过热或其它能量驱动吸附态水的释放，并通过冷凝实现对液态水的收集。因此，肩负着吞吐水蒸气重任的吸附剂，是优化系统取水性能的关键。历经了不断地开发、优化和迭代，一大批新型吸附材料应运而生。然而，大多数具有高吸附能力的吸附剂存在或吸附/脱附速率低或再生性能差（如再生温度高或光热转换效率低）。
近日，
浙江理工大学郑旭副教授等联合上海交通大学
王如竹教授
，以油菜花粉为多孔基质，采用自由基聚合方法，设计了一种具有温敏和光热双重特性的嵌段共聚物，并辅以氯化锂改性，作为水蒸气的高效智能复合吸附剂（Pollen-LiCl@PNIPAM-b-PPy），并用于空气取水
。据悉，这种兼具温敏和光热双重功能的高效智能复合吸附剂是在吸附式空气取水领域的首次报道。该吸附剂具有分层多孔结构（图1），其中最外层的聚吡咯（PPy）能将光能转化为热能，第二层聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）具有温敏特性，可实现低温脱附。同时，封装的氯化锂提高了材料的吸附能力，而花粉的空腔结构可以储存捕获的水分，避免液体的泄漏。研究团队对材料的合成和表征、吸附和脱附特性、光热转换特性进行了深入研究，之后通过实验室工况和户外实地测试证实，只需进行3次吸附-解吸取水循环，就能实现高达 2.21 g水/g吸附剂的日产水量，且无需额外的加热元件。这为太阳光的直接高效利用提供了新思路，能促进吸附式空气取水技术的发展和落地。
这项研究成果以题为「Rape pollen-based composite sorbent with thermo-responsive and photothermal properties for atmospheric water harvesting」的文章发表于【Advanced Functional Materials】上。论文第一作者为浙江理工大学
郑旭副教授
，通讯作者为
郑旭副教授
和上海交通大学
王如竹教授
。
图1 材料的结构示意图和工作原理图
【温敏光热复合吸附剂的表征】
研究团队进行了复合吸附剂的粒径测试、紫外-可见-红外漫反射测量、傅里叶红外光谱测试、亲疏水角测试、扫描电子显微镜以及能谱分析等系列表征实验。测试结果表明采用的合成方法能使PNIPAM和Ppy在油菜花粉基质表面成功聚合。比如，从粒径测试结果（下图f）可以明显看出，当温度升至 32°C 时，颗粒尺寸会迅速减小。这和PNIPAM的低临界溶解温度(Lower Critical Solution Temperature，LCST) 下会发生相变相吻合，即当温度上升至其LCST（30~35oC）或以上时，温敏高分子内及分子间疏水基团的缔合作用增强，体系由疏松线团变为紧密的胶粒状结构，故粒径会变小，从而证明了合成的复合吸附剂具有温敏特性。又如，紫外-可见-红外漫反射测试得到的吸收光谱图（图2g）显示，在可见光和红外线区域， Pollen-LiCl@PNIPAM-b-PPy的吸收能力远远高于处理后的花粉（Pollen）以及温敏花粉（Pollen@PNIPAM）。这验证了由于PPy的加入使得复合吸附剂获得了良好的光热特性。此外，亲疏水角测试（图2j）显示了氯化锂的嵌入使得复合吸附剂变得更加亲水。
图2 材料的表征研究
【复合吸附剂的吸附-脱附特性】
研究团队论证了Pollen-LiCl@PNIPAM-b-PPy具有吸附量高、吸附/脱附速率快、稳定性好、再生温度低（40~50oC）等优点。在 20oC & 80%RH 吸附工况下，复合材料的吸附量高达 1.52 g g-1，并可实现快速的吸附（3小时内的吸附量占平衡吸附量的 95%）。随着材料学的快速发展，已有吸附剂落于图3d中的区域I ，即能同时具有较高的吸附性能（>0.5 g g-1）和低温再生性能（40~60oC）；但在吸附初始2小时内，该吸附剂的瞬时吸附量比近些年报道的其它新型吸附剂高出 10%~97%（相似吸附工况下，图3 e）。这得益于该复合吸附剂的分层多孔结构和浸入的强吸湿材料氯化锂，可实现高效的水分输运以及快速响应的吸附动力学特性。此外，脱附30分钟内，该材料释放出的水蒸气远大于其它新型吸附剂在的脱附水量（下图g），归功于温敏功能层PNIPAM，其在低临界溶解温度LCST（30~35oC）下会发生相变（当温度上升至其LCST或以上时，温敏高分子内及分子间疏水基团的缔合作用增强，体系由疏松线团变为紧密的胶粒状结构，把预先吸附在活性位的水分子挤出体系，实现脱水再生）。
图3 材料的吸附和脱附性能
【光热脱附性能研究】
为了增加该复合吸附剂在脱附过程中的光照面积，
研究团队
将其涂敷到铝片表面，并进行室内模拟太阳光以及户外光照下的脱附实验研究。结果表明，
在相同光照条件下（1 sun），光照仅 0.5 小时，该吸附剂即可释放出82% 的捕获水，其释放水蒸气的速率是近期报道其它具有光热特性的新型吸附剂的 1.3~8.2 倍（图4 c）。这是由于 PPy的优异光热转换效率和 PNIPAM 的低温脱附性能的共同作用。
图4 温敏光热花粉铝片的光热脱附性能
【实验室和户外的取水性能测试】
为了验证该吸附剂的实际取水效果，研究团队设计并搭建了一个结构简单、便于携带的小型吸附式空气取水装置，并在实验室工况和户外实地环境中进行了取水性能实验研究。实验室工况下研究结果表明，在1000 W m-2的光照条件下脱附1.5小时，可获得高达0.86 g水/g吸附剂的单次集水量。在相似的户外环境条件下，单次取水量为0.81 g水/g吸附剂，与室内实验保持了良好的一致性。此外，需要指出的是，快速循环取水设计可以大大提高装置的产水能力，但频繁切换吸附和解吸的操作模式可能会降低材料和设备的使用寿命。与频繁切换策略（如一天内进行 8~10 次吸附-脱附循环）不同，应用该吸附剂的取水装置，只需进行3次吸附-解吸循环，就能实现高达 2.21 g水/g吸附剂的日产水量。
图5 应用复合吸附剂的取水装置的实验室和户外取水性能
【文章小结】
为了解决现有吸附式取水系统中，大多数具有高吸附能力的吸附剂存在或吸附/脱附速率低，或再生性能差（如再生温度高或光热转换效率低）的不足，研究团队以油菜花粉为基质，设计了一种具有温敏和光热双重特性的嵌段共聚物，并辅以氯化锂改性，作为水蒸气的高效智能复合吸附剂，并用于空气取水。得益于其分层多孔结构、PPy光热功能层、PNIPAM温敏功能层以及氯化锂的强吸湿性，该智能复合吸附剂具有吸附量高、吸附/脱附速率快、稳定性好、再生温度低（40~50oC）、光热性能好等优点。最终，只需进行3次吸附-解吸取水循环，应用该吸附剂的取水装置就能实现高达 2.21 g水/g吸附剂的日产水量，且无需额外的加热元件。该研究为太阳光的直接高效利用提供了新思路，能促进吸附式空气取水技术的发展和落地。
【作者简介】
第一作者&通讯作者- 郑旭, 浙江理工大学建筑工程学院副教授
，建筑能源利用与碳减排研究所所长，主要研究领域为建筑节能、固体除湿空调和复合吸附剂合成。曾获上海交通大学首届优秀博士学位论文（导师：王如竹教授），浙江省第十三届高校青年教师教学竞赛工科组特等奖，指导学生获研究生能源装备创新设计大赛全国一等奖。在【Advanced Functional Materials】、【Chemical Engineering Journal】、【Chemical Engineering Science】、【Energy】、【Energy Conversion and Management】、【International Journal of Refrigeration】等期刊以第一/通讯作者发表高水平学术论文二十余篇；授权国家专利十余项。
共同通讯作者- 王如竹, 上海交通大学讲席教授, 制冷与低温工程研究所所长，教育部太阳能发电及制冷工程中心主任。
从事制冷、热泵与热湿调控研究，主持的成果获国家自然科学二等奖和国家技术发明二等奖，何梁何利基金科学与技术创新奖；荣获全球能源奖、国际能源署热泵大奖、国际制冷学会最高学术奖Gustav Lorentzen奖章等多项重要国际学术奖项。他领衔的能源-水-空气创新团队（ITEWA）长期致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。团队近5年来在Science, Nature Water, Joule, EES, Advanced Materials, Nature Comm.等高水平期刊上发表40余篇学科交叉论文。
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