淡水资源短缺是当今的一个重要挑战，大气中蕴含着大量水汽，若能通过吸湿材料高效捕获并转化为液态水，有望为获得可持续的淡水，但传统吸湿材料普遍存在吸湿速率慢、储水容量有限及盐易泄漏等问题。

  近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料全国重点实验室陈涛研究员、魏俊杰副研究员与宁波大学王文钦教授合作提出一种盐模板诱导结晶策略，成功设计了一种孔径与方向可调控的互连大孔吸湿水凝胶，旨在提升大气湿气吸附动力学与吸附容量。

  2026年5月5日，相关论文以“Salt-Templated Crystallization Yields Oriented Interconnected Macroporous Polymer Gels for Ultrafast and High-Capacity Atmospheric Water Harvesting”为题发表在Advanced Materials上。

  这一全新的“盐模板结晶诱导限域聚合”策略利用三水合乙酸钠溶液的过冷结晶行为，通过接触触发实现晶体的定向生长，从而在凝胶内部构筑有序、互连的大孔网络。这一独特结构不仅为水分子提供了高速传输通道，显著降低了传质阻力，还借助聚电解质网络固有的高渗透压持续将吸附水向孔壁内部驱动，实现吸附位点的自更新（图1）。同时，聚合物链上的磺酸基团通过静电作用有效锚定吸湿盐氯化锂，抑制了盐的聚集与泄漏，协同提升了循环稳定性。得益于此，所制备的STC/TiN-gel@LiCl在90%相对湿度下饱和吸湿量高达7.19 g?g?1，在30%–70%相对湿度范围内仅需约300分钟即可接近吸附平衡，并在1个太阳光照下于60分钟内释放出96.8%的吸收水。在实际户外低温条件下，该材料实现了日产水3.29 kg?kg?1的优异性能。该工作化解了定向孔道构建与机械耐久性之间的传统矛盾，为设计新一代高性能大气集水材料提供了简洁而有力的范式。

图1. 盐模板结晶法制备定向互连大孔聚合物凝胶用于超快、高容量大气水收集。a) STC/TiN-gel@LiCl 制备过程示意图。b) 分子尺度上 LiCl 与聚合物链之间静电相互作用示意图。c) STC/TiN-gel@LiCl 户外大气水收集—脱附—发电联产示意图。d) 本研究与以往研究在吸水容量、吸附速率、释放速率、日产水量和循环性能方面的雷达图对比。

  盐模板诱导取向互通大孔结构的构筑：研究人员开发了一种动态盐模板法（图2），利用三水合乙酸钠（NaAc·3H?O）的过冷结晶特性，通过接触触发在凝胶内部实现晶体的定向生长与调控。具体而言，过饱和前驱体溶液在约57?°C的宽温度窗口内保持稳定亚稳态，接触触发后迅速从均相成核转变为异相成核，晶体沿触发方向定向生长，同时将单体（AMPS）、交联剂、光热材料（TiN）及引发剂排挤至晶体间隙中，形成溶质富集的限域微区；经紫外光聚合固定致密聚合物网络后，洗去盐模板，即可获得具有高度缠结聚合物骨架的垂直取向、相互贯通的大孔结构。调节结晶环境温度（15?°C至45?°C）可精准控制孔径尺寸，对应孔径范围约20?μm至100?μm，扫描电镜清晰展示了规整的取向孔道，压汞分析进一步证实了孔径的可控性。该策略具有良好的普适性，可适用于多种吸湿性单体。这种微米级定向互连孔道不仅为水分子提供了高速传输通路、大幅降低扩散阻力，还为氯化锂提供了充足的存储空间；同时，高度缠结的聚合物网络在反复吸湿-脱湿过程中确保了优异的结构稳定性，为提升循环寿命奠定基础。负载氯化锂后，锂离子凭借其最小的离子半径和最高的电荷密度，与聚合物链上磺酸基团通过静电配位形成稳定络合物，实现了吸湿盐的均匀锚定，有效抑制了盐的聚集与泄漏，从而协同增强了材料的吸湿容量、吸附速率与循环稳定性。

图2. STC-gel的设计与表征。a) 盐模板触发结晶与聚合过程示意图：i) 完全熔融状态的前驱体溶液；ii) 接触触发后，晶体沿触发方向定向生长；iii) 紫外光引发光聚合以固定定向多孔网络。b) 利用荧光金相显微镜记录接触触发结晶过程中晶相生长的全过程。c) 不同过冷度下制备的STC-gel的SEM微观结构。d) 在不同结晶过冷度下制备的STC-gel的孔隙率表征。e) STC-gel前驱体溶液在-80?°C至100?°C温度范围内的DSC曲线，升温速率为2?°C/min。f) 不同状态下STC-gel前驱体溶液的XRD图谱，橙色线为三水合乙酸钠的标准图谱，供参考。g) STC/TiN-gel、R-gel和STC-/TiN-gel@LiCl的FTIR图谱。

  吸湿性能评价：通过调控氯化锂浸泡浓度和结晶温度，系统优化了STC-gel@LiCl的吸湿性能（图3）。最佳LiCl负载量为70?wt%，最佳结晶温度为35?°C，该条件下制备的取向互连大孔凝胶在90%相对湿度下饱和吸湿量高达7.19?g?g?1，且在300?min内于30%、50%、70%和90%相对湿度下分别达到1.10、1.91、2.77和7.19?g?g?1的吸附容量，显著优于随机孔道凝胶和常规凝胶。基于菲克第二定律计算的水蒸气扩散系数表明，有序大孔结构有效降低了传质阻力；COMSOL模拟进一步证实，定向孔道内水蒸气渗透速率始终快于无序结构。机制上，互联大孔借助拉普拉斯毛细压力实现水分快速浸润，配合LiCl离子水合的化学势梯度和聚电解质网络的高渗透压，协同驱动气-液两相传质并动态更新吸附位点，从而实现高效连续吸水。该材料在15?°C至35?°C宽温度范围内吸附量几乎不变，展现出优异的户外适应性。与已报道的SAWH材料相比，STC/TiN-gel@LiCl在70%–90%中高湿度区间内取得了目前最高的吸湿容量，充分验证了盐模板定向造孔策略的有效性。

图3. STC-gel的吸水性能。a) 基于菲克第二定律拟合的吸附动力学。b) 水蒸气扩散系数（D_ms）与相对湿度的关系。c) 利用COMSOL Multiphysics模拟的不同结构中水蒸气的传输路径与速率。d) 不同温度下的平衡吸附容量。e) STC?gel@LiCl、RSC?gel@LiCl和R?gel@LiCl在30%、50%、70%和90% RH下的平衡吸附容量。f) STC/TiN?gel@LiCl与已报道的最先进大气集水材料在30–90% RH范围内静态吸附容量和吸附速率的对比。

  分子动力学模拟揭示吸湿机制：为进一步阐明STC/TiN gel@LiCl的优异吸湿机理，研究人员开展了分子动力学模拟（图4）。模型以PAMPS链为主体，引入Li⁺、Cl^-及TiN纳米粒子，动态追踪水分子的捕获与传输路径。模拟显示，水分子首先被磺酸基团通过氢键捕获，径向分布函数在~2.0??处出现尖锐特征峰，对应强氢键相互作用；随后在渗透压和浓度梯度的驱动下，水分子从表面吸附位点向内迁移，并借助Li⁺的离子-偶极作用加速扩散。体系氢键数在0-200?ps内快速上升，对应表面捕获液化阶段；200-500?ps内增速减缓但持续增加，表明水分子逐步深入凝胶内部并与聚合物骨架形成稳定氢键网络。同时，水分子沿径向的平均累积分布呈双侧对称形态，证实了定向孔道壁面亲水位点均匀、两侧等速渗透，有效消除了无序孔道中的传质差异，最大程度利用了孔壁双侧表面积并缩短了传输路径。吸附位点在迁移过程中不断重新暴露，形成“捕获-迁移-再生”的动态循环。

图4. 分子动力学模拟。a) STC/TiN gel@LiCl 体系的计算模型及水渗透过程的动态快照。b) 水渗透过程的微观描绘。c) 体系内氢键数量随模拟时间的演变。d) 聚合物链上磺酸基团的氧原子与水分子氢原子之间的径向分布函数g(r)。e) 水分子的平均累积配位数随径向距离r的分布。

  太阳能驱动水脱附性能评价：研究者通过在凝胶网络中原位聚合的方式均匀锚定氮化钛（TiN）纳米粒子，并利用纳米-微米分级孔结构将TiN与吸湿盐共同限域在孔壁内，实现了热量的原位、低损耗传递（图5）。STC/TiN-gel@LiCl在300-2500 nm波长范围的太阳吸收率高达约95%，在一个太阳光照下，表面温度10 min内迅速升至46.3?°C。受益于高效光热转换和定向大孔传质，该材料在1.0 sun下60 min内即可释放96.8%的所吸水分；当光强增至1.5 sun时，仅需45 min便释放98.7%，即便在0.5 sun弱光下，100 min内也能脱附80.9%。基于菲克第二定律计算的脱附扩散系数进一步表明，其水分脱除速率显著快于随机孔道凝胶和常规凝胶。变温红外光谱（VT-IR）显示，STC/TiN-gel@LiCl中~3400?cm^-1的O-H伸缩振动峰强度衰减更快且向高波数显著移动，证实其氢键网络解离和结合水向自由水转变的动力学更为迅速。DSC定量分析表明，在含水量为1、2、3?g?g^-1时，STC/TiN-gel@LiCl的脱附焓分别为446.63、864.49和903.85?J?g^-1，均明显低于R/TiN-gel@LiCl（661.29、950.32、973.57?J?g^-1），揭示其脱附具有更低的能垒。宏观动力学与分子热力学证据共同证实，取向互通大孔结构不仅为水蒸气提供了快速逸出的直通路径，还通过孔道定向传热使热量高效作用于吸湿位点，从而在低能耗下实现了极速、深度的光热再生。

图5. STC/TiN-gel@LiCl的水脱附性能。a) STC/TiN-gel@LiCl的水脱附过程示意图。b) 水合STC/TiN-gel@LiCl和R/TiN-gel@LiCl的太阳吸收光谱；黄色阴影区域表示经标准AM 1.5G太阳光谱加权的太阳光谱辐照度。c) 在1.0 sun光照下，STC/TiN-gel@LiCl、RSC/TiN-gel@LiCl和R/TiN-gel@LiCl的时间-温度曲线。d) 在25°C和70% RH条件下吸湿饱和的STC/TiN-gel@LiCl，在0.5至1.5 sun太阳光照强度下的水脱附曲线。e) 在25°C及不同湿度水平下吸湿饱和的STC/TiN-gel@LiCl，在1.0 sun光照下测得的水脱附曲线。f) 在25°C和70% RH条件下吸湿饱和后，STC/TiN-gel@LiCl、RSC/TiN-gel@LiCl和R/TiN-gel@LiCl在1.0 sun光照下的动态水脱附曲线及脱附速率。g) STC/TiN-gel@LiCl的变温FTIR，升温速率为10°C/min，每5分钟测量一次。h) 相同含水量（1–3 g g?1）的STC/TiN-gel@LiCl和R/TiN-gel@LiCl在水分蒸发过程中的DSC热流曲线。i) STC/TiN-gel@LiCl和R/TiN-gel@LiCl在不同吸水率下的ΔHsp值。

  户外SAWH实际应用：为验证材料的实际应用潜力，研究者首先在90%高相对湿度条件下进行了连续20次吸-脱附循环测试，STC/TiN-gel@LiCl展现出良好的吸湿容量稳定性，全程无盐溶液泄漏。基于此，构建了集水-发电一体化户外装置，并于2025年11月19日至20日在浙江宁波开展了昼夜循环实地测试。夜间时段（平均13.5?°C、59.1% RH），材料在11?h内实现2.33?g?g^-1的吸湿量；次日早晨在平均辐照仅522?W?m^-2的低光照条件下，4?h内释放率达90.7%。随后进行的第二次吸-脱附循环中，材料在3?h内再次吸附1.08?g?g^-1（平均20.5?°C、39.3% RH），并在约700?W?m^-2光照下4?h内脱附率达90.8%。通过一日多次循环，该装置在低温干燥条件下实现了3.29?kg?kg^-1 day^-1的日产水量，满足成年人日均饮水需求（≈2?L），同时吸湿阶段维持约50?mV、光热脱附阶段输出约111?mV的稳定电压，实现了水-电联产。基于Dubinin-Astakhov方程并结合2024-2025年全球年均温湿度数据进行的产水潜力评估表明，即使在撒哈拉沙漠等极端干旱地区，该材料预计仍可实现399?mL kg^-1 day^-1的产水量。电感耦合等离子体质谱分析证实，收集水中所有离子浓度均远低于WHO饮用水标准限值，充分验证了其产水安全性与全球适用前景。

图6. 所得STC/TiN gel@LiCl的户外SAWH实验。a) STC/TiN gel@LiCl的循环性能：在90% RH和25?°C条件下进行吸湿，随后在实验室烘箱中于100?°C下进行水脱附，共循环20次。b) 基于STC/TiN gel@LiCl的实际装置照片，展示白天太阳能驱动的水脱附过程。c) 环境参数（相对湿度、温度、质量、光强）的实时监测数据。d) 户外水收集过程中的质量变化，包括吸湿量、脱附量和收集水量。e) 基于全球年平均温度和相对湿度估算的STC/TiN gel@LiCl日产水量。2024–2025年全球年平均温度和相对湿度数据来源于NASA POWER（全球能源资源预测）数据访问查看器（https://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/），并经处理以0.5°?×?0.5°的空间分辨率计算全球年平均值。f) 收集水样中离子浓度的测定。

  总之，该工作提出了一种普适的盐模板诱导结晶策略，成功构建了取向互通大孔吸湿凝胶，三维贯通的垂直孔道极大降低了水汽传输阻力，结合PAMPS与Li⁺的静电锚定作用，实现了高吸湿容量、快速吸附/解吸动力学和优异循环稳定性，为下一代高性能大气水收集材料提供了新的设计思路。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73291