成都理工大學李小可&周立宏||分子工程熱力學錨定位點實現穩定且高容量的生物質水凝膠用于大氣水分收集

第一作者：夏俊（成都理工大學）

通訊作者：李小可副教授、周立宏教授（成都理工大學）、王威教授（哈工大）

通訊單位：成都理工大學材料與化學化工學院

DOI:10.1016/j.cej.2026.177888

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成果簡介

近日，成都理工大學李小可課題組在《Chemical Engineering Journal》（IF=13.2）發表了題為“Molecular engineering of thermodynamic anchoring sites enables ultra-stable and high-capacity biomass hydrogels for atmospheric water harvesting”的研究論文。

針對大氣水收集（AWH）技術中因吸附材料因鹽泄漏導致的性能快速衰減與二次污染，且為實現可持續發展需要。研究團隊提出了一種分子水平的熱力學錨定策略，將可持續生物質資源轉化為可用于可持續農業的節能AWH吸附劑。這種生物基吸附材料實現了可持續的水產，同時最大限度地減少了環境影響。通過在明膠/木薯淀粉骨架上共價接枝可電離基團（AMPS），構建特異性靜電陷阱，從而抵抗強水結合力并鎖定鋰離子。并且通過密度泛函理論（DFT）計算證實，這些陰離子位點形成了高于水分子水合能的熱力學能壘（ΔE ≈ 0.35 eV），有效抑制鋰離子遷移。所制備的GTA@LiCl水凝膠在90%相對濕度下實現了5.2 g g-1的高集水容量，并在15次吸附-脫附循環中展現出優異的穩定性。此外，戶外太陽能驅動的水生產實驗表明，收集的水質符合農業灌溉安全標準，能夠在干旱環境中將作物存活期延長25天。結合分子動力學（MD）模擬與植物生長試驗，該研究揭示了功能性吸濕生物質材料在可持續發展中的潛力，以綠色可持續發展的方式緩解全球水資源短缺。

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研究背景

全球環境惡化導致水資源短缺已成為人類面臨的重大挑戰，預計到2050年將有三分之二的人口面臨每日用水不足的困境。 在此背景下，基于吸附的大氣水收集（SAWH）技術作為一種由低品位能源驅動的分散式淡水供應方案，展現出不受地理限制、可持續提取空氣中淡水的巨大潛力。然而，高性能SAWH材料的開發長期受制于水凝膠網絡中高載量的吸濕鹽。但由于鹽離子與聚合物鏈之間的相互作用較弱，運行中聚集的液態水不可避免地會引發離子溶解和遷移。這種“鹽分化效應”不僅會導致水收集效率迅速下降、縮短材料壽命，還會帶來二次水污染和設備腐蝕的嚴重風險。

傳統的物理封裝或中性配體策略難以抵消強烈的水合動力學，而基于合成聚合物的靜電錨定策略又面臨不可降解和復雜的環保困境。 為打破這一瓶頸，本研究基于化學配位與生物質可塑性，提出了一種創新的離子配位錨定策略。該策略利用綠色環保的明膠/木薯淀粉（GE/TA）作為骨架，通過引入特定的陰離子靜電配位位點（AMPS）作為橋梁，在生物質網絡與吸濕鹽（LiCl）之間構筑了高效的靜電勢阱。通過該策略能成功屏蔽了鋰離子受到的水合力，防止了鹽分泄漏。在牢固鎖定鹽離子的同時，兼具優異的機械穩定性與成本效益，為構建安全、可持續的高性能太陽能大氣制水系統開辟了新途徑。

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研究數據

圖1。基于雙網絡骨干和強靜電相互作用的抗鹽大氣水收集機制。

圖2。GTA@LiCl水凝膠的制備。（a）水凝膠制備圖;（b）水凝膠水的吸收、運輸和儲存示意圖;（c） 調控與LiCl配位的親水性聚合物鏈示意圖;（d） 聚合物鏈分子結構示意圖;（女聲）不同倍數下的GTA@LiCl水凝膠掃描電子顯微鏡圖像：200微米和50微米;（g） GTA@LiCl的EDS元素映射。

圖3。GTA@LiCl水凝膠的鋰鎖定策略。（a） GTA、GT、GE、ST和AMPS的FTIR光譜;（b） GTA@LiCl和GT@LiCl水凝膠Li1s光譜的XPS;（c）DSC測試中的熱流曲線;（d）GT、水、GTA和Li之間配位結構示意圖;（e）GT、水、GTA和Li之間的結合能量;（f） GTA@LiCl和GT@LiCl的MSD;（g）仿真系統的初始和最終狀態;（h） 離子錨定示意圖。

圖4。吸濕性質及GTA@LiCl機制。（a） 水凝膠水蒸氣吸附的示意圖和數碼照片GTA@LiCl;（B-D）水凝膠在30–90%相對濕度下的吸附動力學曲線;（e）GTA水凝膠的拉曼光譜;（f） 凝膠網絡中的水合示意圖;（g）其他報告中AWH的取水能力。

圖5。光熱脫附與收集性能。（a）GTA@LiCl的紫外-可見-近紅外吸收光譜;（b）GTA@LiCl水凝膠在不同光強下的溫度變化;（c）水凝膠的時變水脫附GTA@LiCl;（d）水脫附速率;（e）水吸附-脫附的循環性能;（f） 循環測試前后的動態吸附曲線;（g）戶外環境下GTA@LiCl水凝膠的AWH;（h）戶外環境下的太陽能驅動AWH;（i）收集水中的離子濃度。

圖6。植物生長實驗及其對土壤物理化學性質的影響。（a）AWH裝置示意圖;（b）設備延遲拍照;（c）第5天的發芽統計比較;（d）土壤PH測試;（e）實驗前后土壤水分含量的變化;（f）基于不同材料的實際AWH特性比較分析。

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作者簡介

第一作者：

夏俊，成都理工大學材料與化學化工學院2024級碩士研究生。

通訊作者：

李小可，成都理工大學副教授，碩士生導師，西安交通大學博士后，主要從事太陽能光熱轉換與太陽能熱利用技術相關領域的研究，截止目前共發表SCI論文及中文核心期刊論文70余篇，總他引次數超過2000次，H指數為15，并有多篇論文入選ESI熱點論文和高被引論文，連續四年入選全球前2%頂尖科學家(2022，2023，2024，2025)。

郵箱：xiaokeli319@126.com

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