淡水資源短缺問題日益嚴峻，傳統淡水制備因能源供應需求量大、設備龐大復雜等問題難以普及。近年來，通過合理設計的光熱蒸發器利用綠色、可持續的太陽能來驅動豐富的海水資源轉變成淡水成為研究熱點。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員陳濤、副研究員肖鵬前期發展一系列用于光熱淡水收集的高分子復合材料（Nano Energy, 2020, 68, 104311; Nano Energy, 2020, 68, 104385; ACS Sustain. Chem. Eng., 2020, 8, 13, 5328; Nano Energy 2019, 60, 841; ACS Appl. Mater. Inter. 2019, 11, 15498; Solar RRL, 2019, 3, 1900004等）。除了海水資源，地球大氣中也存在著水汽資源（約50000km³）。通過材料在空氣中吸濕，在太陽能作用下實施光熱蒸發，進而實現空氣集水的技術正在興起。
鐵蘭屬植物（Tillandsia Species）是一類附生植物，其生存不依靠根莖從土壤中吸收水分，葉片直接從空氣中吸收水分即能存活。在葉片內部滲透壓的作用下，被吸附的水分可從最外組織到內部網絡定向運輸，最終儲存在葉片內部組織系統內，實現連續、快速的水分吸收（圖1）。
受此啟發，研究人員提出一種吸濕型光熱有機凝膠（POG）來實現太陽能驅動的光熱空氣制水。聚甲基丙烯酸鈉/丙烯酰胺的親水性共聚高分子水凝膠網絡可以將吸濕性的有機溶劑（甘油）容納其中。類似于鐵蘭植物，POG內吸濕性的甘油介質在滲透壓的作用下賦予其內部快速的水擴散，通過聚合物鏈溶脹的形式將水儲存在其內部，實現POG連續、快速、高容量的吸濕性能。
圖2.POG的吸濕性能表征
圖3.POG的吸濕機理探究
實驗證明和理論分析，聚合物網絡上親水性的官能團也能協同增強POG的吸濕行為。在90％的相對濕度下，該POG在12小時內最終展現出6.12kg/㎡的吸濕性能和16.01kg/㎡的超高平衡水分吸附（圖2-3）。此外，互穿的光熱高分子網絡聚吡咯-多巴胺（P-Py-DA）賦予POG優秀的光熱性能，可以實現可控的太陽能驅動的界面水分釋放，以獲取被吸附的水分（圖4a-b）。
戶外實驗結果表明，該POG在實際的室外實驗中淡水日產量達到2.43kg/㎡，收集到的淡水中的離子濃度的含量符合WHO和EPA的飲用水標準（圖4c-g）。該研究為太陽能光熱空氣集水提供一種新的材料體系，有機凝膠的聚合物骨架和吸濕介質的選擇具有高度可設計性，后期可通過設計進一步提高其空氣制水性能。
圖4.a-b)POG的光熱蒸發性能；c-g)基于POG獲得純凈水的戶外實驗
相關研究成果以“Tillandsia-inspired Hygroscopic Photothermal Organogels for Efficient Atmospheric Water Harvesting”為題，發表在Angew. Chem. Int. Ed.（DOI:10.1002/anie.202007885）上。該研究得到國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目、博士后創新人才支持計劃、中國博士后科學基金及王寬誠國際交叉團隊的資助。
注：本文章轉載自中國科學院寧波材料技術與工程研究所，不代表本網觀點立場。
