导读：

大气水收集技术是解决淡水资源短缺的重要途径，但传统吸湿盐-水凝胶复合材料存在制备复杂、盐析及效率低等问题。近期，中国矿业大学（北京）机电工程学院研究团队开发了一种海藻酸钙/两性离子聚合物双网络水凝胶微球材料，通过静电作用稳定吸湿盐并构建二元盐体系，在低湿度（30% RH）条件下实现1.132 g/g的吸水量，同时结合碳纳米管的光热效应，可在自然光照下3-4小时内释放80%吸附水分，显著抑制盐析问题。相关研究以“Novel dual-network-structured hydrogel  microspheres for efficient atmospheric water collection”为题目，发表在期刊《RSC Advances》上。

本文要点：

1、本研究通过无滴漏聚合法制备了海藻酸钙（CA）和[2-（甲基丙氧基）乙基二甲基-（3-丙基磺酸）氢氧化铵（PDAPS）]双网络结构的水凝胶微球，并引入碳纳米管（CNT）和氯化锂（LiCl）形成CA/PDMAPS/CNT/LiCl复合吸附剂。

2、双网络中的阴阳离子基团（–N⁺(CH₃)₂^-和–SO₃^-）通过静电作用结合Li⁺与Cl^-，有效抑制盐析并构建二元盐体系，显著提升吸湿性能。

3、在22°C、相对湿度90%条件下，水凝胶微球的最大集水量为3.586 g/g，较单网络水凝胶提升434%。

4、自然光照下，3-4小时内可脱附80%以上吸附水，循环30次后性能稳定。

5、户外实验中，5 g材料在平均湿度60%、温度19°C环境下可收集8.5 g淡水，水质符合国际饮用水标准。

双网络结构水凝胶微球的合成步骤如下：

1、材料混合与分散

将海藻酸钠（SA）、两性离子单体（DMAPS）、碳纳米管（CNT）和交联剂（N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，BIS）按比例（SA:DMAPS= 1:6）混合，通过超声分散形成均匀溶液。

2、微球成型与第一网络构建

将混合液滴入含CaCl₂的溶液中，Ca²⁺与SA中的G单元发生离子交联，形成海藻酸钙（CA）第一网络，同时加入引发剂（KPS）、还原剂（SDS）和促进剂（TEMED）以启动自由基聚合。

3、第二网络聚合

在Ca²⁺存在下，DMAPS单体通过自由基聚合形成聚两性离子（PDMAPS）第二网络，与CA网络交织构成双网络结构，形成微球。

4、吸湿盐负载与稳定

将双网络水凝胶微球浸入LiCl饱和溶液中，Li⁺和Cl^-通过静电作用与PDMAPS链上的–N⁺(CH₃)₂^-和–SO₃^-结合，形成稳定的二元盐体系，避免盐析。

5、后处理与优化

清洗去除未反应物质，干燥后获得CA/PDMAPS/CNT/LiCl复合微球。通过调整SA与DMAPS比例（1:6为最优）和盐溶液浓度，确保高盐负载量及结构稳定性。

关键创新点：

• 无滴漏聚合法简化了传统工艺，避免液滴飞溅，适合规模化生产。

• 双网络协同作用：CA提供力学支撑，PDMAPS通过静电固定盐分，CNT增强光热性能，实现高效吸湿与快速脱附。

双网络结构中的CA与PDMAPS如何协同作用以提升水吸附和抗盐析性能？

1、海藻酸钙（CA）网络：

力学支撑与多孔结构：CA通过Ca²⁺交联形成稳定的三维网络，提供机械强度和多孔结构，促进水分子的快速扩散与存储。

二元盐体系构建：CA中的Ca²⁺可与LiCl中的Li⁺发生离子交换，形成CaCl₂-LiCl二元盐体系，增强吸湿盐的负载量和吸湿动力学。

2、两性离子聚合物（PDMAPS）网络：

静电固定盐分：PDMAPS链上的–N⁺(CH₃)₂^-和–SO₃^-基团通过静电作用分别与Li⁺和Cl^-结合，防止盐分聚集或泄漏，解决了传统材料的盐析问题。

动态亲水性：PDMAPS的响应性结构在吸湿时膨胀，促进盐溶液向凝胶内部扩散；脱附时收缩，加速水分释放。

图1.CA/PDMAPS/CNT/盐复合材料合成示意图。

图2.（a）CA/PDMAPS/CNT/LiCl水凝胶用于大气集水的示意图。（b）CA/PDMAPS/CNT/LiCl和CA/CNT/LiCl水凝胶的FTIR光谱。（c）CA/PDMAPS/CNT/LiCl水凝胶微球的光学照片。（d）CA/PDMAPS/CNT/LiCl水凝胶微球的SEM图像。（e）CA/PDMAPS/CNT/LiCl水凝胶的元素图谱。

图3.二元吸湿盐体系的LiCl结合机理和形成图。（a）PDMAPS水凝胶结构和PDMAPS/LiCl结构图。（b）CA/PDMAPS/CNT/LiCl水凝胶结构图。

图4.（a）不同浓度LiCl水溶液中CA/CNT、CA/PDMAPS/CNT和PDMAPS/CNT水凝胶的溶胀比。（b）低浓度LiCl溶液中CA/CNT和CA/PDMAPS/CNT水凝胶的溶胀率。（c）CA/PDMAPS/CNT水凝胶在相对湿度=30%、60%和90%时的吸湿性能。（d）CA/PDMAPS/CNT/LiCl在22°C下的水蒸气吸附等温线。

图5.（a）22°C下的吸水等温线。（b）静态吸水-解吸曲线。（c）CA/PDMAPS/CNT/LiCl水凝胶TGA曲线和（d）UV-vis-NIR吸收光谱。（e）CA/PDMAPS/CNT/LiCl水凝胶表面温度随时间变化以及不同光强下的红外热图像。（f）不同光照强度下的水解吸。

图6.室外集水实验。（a）大气集水装置示意图。（b）多次循环后CA/PDMAPS/CNT/LiCl水凝胶的盐含量。（c）夜间水凝胶的温度、湿度和吸水率。（d）在设备内壁形成水滴，并在自然光照射下进行红外热成像。（e）白天的光强度和收集水的质量变化。（f）收集的水和相应的离子浓度。（g）CA/PDMAPS/CNT/LiCl水凝胶循环稳定性试验。（h）本研究与其他研究的比较。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D4RA08736D