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前言介绍

在2022年1月16日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授和鲁恒毅博士等人在Adv. Mater.上发表了题为“Super Water-Extracting Gels for Solar-Powered Volatile Organic Compounds Management in Hydrological Cycle”的文章。在本文中，作者提出了一种去除含VOCs废水的太阳能水净化策略。超级吸水凝胶（SWEG）是一种多功能太阳能蒸发器，可以将太阳能转化为热能，从VOC水溶液中提取水，并产生洁净的水蒸气。由高度水合的海藻酸盐组成的SWEGs具有超交联聚合物网络（HPNs），且水分子穿透HPNs时将与硅藻酸盐聚合物链形成强氢键网络。SWEG可以抑制其饱和含水量，并在分子水平上将其中含的水完全管控，避免自由水的存在，从根本上不同于传统水凝胶。

由于这种水-分子链氢键在热力学上比水-VOC分子相互作用更稳定，因此SWEG可以从VOC溶液中提取水，将VOC与蒸发前沿隔离，从而防止产生的水蒸气受到污染。基于SWEG，太阳能蒸馏能实现高VOCs去除率，其中对苯酚的去除率超过99.0%、对三氯乙烯的去除率为99.99%，并在1 sun（1 kW m^-2）下达到1.4 kg m^-2 h^-1的水产量。与典型的基于膜的水净化不同，基于SWEG的太阳能蒸馏器无需真空、膜再生和电力供应。这些特征表明，SWEG的概念可以促进下一代太阳能驱动的水净化技术的发展，克服与VOCs造成的蒸汽污染相关的基本挑战。

在相隔12天后，余桂华团队又在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Polyzwitterionic Hydrogels for Efficient Atmospheric Water Harvesting”的文章！下面对这篇文章进行简要介绍。

成果展示

大气集水（Atmospheric water harvesting, AWH）被认为是可为内陆和干旱地区提供可持续用水的淡水生产的有希望的策略之一。吸湿材料因其集水性能而受到广泛关注，但是在实际使用中，大量无机盐的引入往往会导致聚集和泄漏问题。

基于此，美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授等人报道了一种可控制地负载吸湿性氯化锂（LiCl）盐的聚两性离子水凝胶（polyzwitterionic hydrogel），以实现高效的大气集水（AWH）。在抗聚电解质的作用下，聚两性离子水凝胶中的吸湿性盐不仅有助于帮助捕获水蒸气，而且还可以提高溶解度和溶胀性能，从而提高水蒸气吸附能力。通过合理调控LiCl的含量，所制备的水凝胶在相对湿度（RH）为30%下120 min内显示出0.62 g/g的优异水蒸气吸附能力。

此外，由于大分子链与盐之间存在静电相互作用，所制备的聚两性离子水凝胶表现出优异的稳定性，使其能够进行长时间的实际应用。作为概念验证，作者演示了在定制系统中，在30% RH下每天可以生产5.87 L kg^-1清洁淡水。该结果表明通过调整吸湿盐和聚合物链之间的相互作用，为设计和制备下一代AWH材料提供了新的见解。

背景介绍

淡水资源短缺已成为全球面临的最严峻挑战之一，迫切需要开发从各种水资源中获取清洁水的技术。大气水（Atmospheric water）被认为是一种可靠的资源，其容量约为13万亿升，为从环境空气中获取水提供了机会，特别是对于偏远、内陆地区和干旱地区。

其中，大气集水（Atmospheric water harvesting, AWH）技术正在成为一种可持续提供淡水的方案。考虑到全天候水分收集的要求，在水凝胶基质中使用吸湿盐被认为是一种很有前途的改善保湿性能的策略。首先吸湿盐捕获水蒸气并就地实现液化，然后液态水被转移到水凝胶中。然而，水凝胶基质中的高盐含量可能会恶化水凝胶的水溶性和溶胀性，而影响AWH的综合性能。

此外，由于盐和大分子链之间缺乏相互作用，嵌入水凝胶中的盐很容易泄漏到周围环境中，导致相关器件的性能恶化和腐蚀。因此，在不影响溶胀性能的情况下，如何有效地加入吸湿性盐，并在水凝胶中稳定地锁定盐仍面临着挑战。两性离子聚合物（zwitterionic polymers）是一类新型材料，在其聚合物链上具有带相反电荷的阳离子和阴离子官能团。它们表现出独特的盐响应反聚电解质效应，其中盐物种可以屏蔽带相反电荷的官能团之间的自缔合效应，而聚合物链在盐溶液中表现出更多的拉伸构象。

图文速递

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图1. PDMAPS和PDMAPS-LiCl水凝胶的制备和溶胀性能

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图2. PDMAPS-LiCl-1水凝胶和对照样品的AWH性能

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图3. PDMAPS-LiCl-1水凝胶中的盐含量和状态及对应AWH性能

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图4. 大气水分和集水性能

小结

总之，作者开发了一类可控制地负载吸湿性LiCl的聚两性离子水凝胶，以实现高效的AWH。由于抗聚电解质的作用，添加的盐可以捕获水蒸气，同时提高水凝胶的溶解度和溶胀性能。所制备的聚两性离子水凝胶在25 ℃、RH=30%下，120 min内具有0.62 g/g的水蒸气吸附能力。同时，所制备的聚两性离子水凝胶在实际收集系统中还可以产生5.87 L kg^-1清洁淡水。此外，由于配位盐的存在，PDMAPS-LiCl水凝胶具有良好的稳定性，使其能够长期进行实际应用。这类具有独特的盐响应特性的聚两性离子水凝胶可以为设计和制备下一代AWH材料以解决水资源短缺挑战提供了新的见解。

文献信息

1. Super Water-Extracting Gels for Solar-Powered Volatile Organic Compounds Management in Hydrological Cycle. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202110548.

https://doi.org/10.1002/adma.202110548.

2. Polyzwitterionic Hydrogels for Efficient Atmospheric Water Harvesting.Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202200271.

https://doi.org/10.1002/anie.202200271.

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