由于人口增长和水质恶化，清洁水资源短缺正成为许多地区和国家最严重的问题之一。大气中的水无处不在，即使在非常干旱的气候下，空气中仍然存在大量的水蒸气。因此，通过收集空气中的水蒸气并将其凝结成液态水来收集大气水，在干旱地区和半干旱地区是一个有前途的策略。基于吸附的大气水收集(SAWG)最近被认为是一种可行且有效的饮用水生产方法。在SAWG系统中，吸附剂材料对于实现高效制水至关重要。二维纤维膜因其大规模制备、较好的加工性和低成本而成为有前途的基质。
在此，海南大学陈琦研究员、王东副研究员、肖娟秀副研究员团队在《Advanced Functional Materials》发文“Biomimetic Hygroscopic Fibrous Membrane with Hierarchically Porous Structure for Rapid Atmospheric Water Harvesting”。通过模拟自然界的Murray网络，报道了一种复合吸附剂仿生纤维膜（PPy-COF@Trilayer-LiCl），它在50分钟内30%-80%的相对湿度范围内表现出 0.77–2.56 g g−1的出色吸水性能。一个太阳光照射10分钟内释放95%以上的吸附水。PPy-COF@Trilayer-LiCl优异的吸附-解吸动力学是由新型分级多孔结构实现的，这也是导致定向快速水传输和蒸汽扩散的关键因素。此外，作为概念验证演示，建立了一种可穿戴式SAWG装置，它可以在室外条件下每天运行10次吸附-解吸循环，并产生高达3.91 kg m−2 day-1的高产量清洁水。本研究展示了一种开发具有高效吸水-解吸特性的先进太阳能驱动 SAWG材料的新策略。
仿生PPy-COF@Trilayer-LiCl复合吸附剂的设计
图1. a: PPy-COF@Trilayer-LiCl仿生复合吸附剂制备示意图。b:具有从宏观到纳米级层次多尺度孔结构的仿生复合吸附剂。孔径通过水银压入法和非局部密度泛函理论表征。c:用于SAWG工艺的PPy-COF@Trilayer-LiCl吸附剂示意图，包括吸水和放水。
仿生纤维膜的表征
图 2. a:CRP-TX。b:PAN-TX 层的SEM图像。c:CRP-TX和PAN-TX单层的孔径分布。d: CRP-TX和PAN-TX层的吸水高度。e:多孔Murray膜的横截面SEM图像；插图显示了MFC-TX层的侧视图。f:在一次太阳照射下，纯水、CRP 和 Trilayer的质量随时间的变化。当水滴被向上输送到g) CRP-TX层和h) MFC-TX层时，从仿生墨累膜的向上和俯视图看定向水传输机制。i单层和j仿生Murray膜中定向水传输过程的示意图。
PPy-COF@Trilayer-LiCl 仿生吸附剂的表征
图 3. a:大片（40×30 cm）制备的 PPy-COF@Trilayer的照片。b:PPy-COF复合材料的SEM图像。c:PPy-COF@Trilayer-LiCl 吸附剂中Murray膜和PPy-COF 光热层的PXRD图。d:PPy-COF@Trilayer-LiCl中PAN-TX层的SEM图，插图是PAN-TX纤维的局部放大图。e:PPy-COF@Trilayer-LiCl中PAN-TX层的 EDS 元素映射。f PPy-COF@Trilayer-LiCl的UV-vis-NIR吸收光谱。g:一次太阳照射下不同样品的时间相关温度曲线。h:PPy-COF@Trilayer-LiCl放置在一个太阳下不同时间后的红外图像。PPy-COF@Trilayer-LiCl的水吸附-解吸性能
图 4. a:CRP-LiCl、Trilayer-LiCl和PPy-COF@Trilayer-LiCl（25°C，RH = 30%）的吸水性能比较。b:PPy-COF@Trilayer-LiCl在25°C和RHs为30%、60%和80% 时的吸水率。c:在 ≈30% RH下，水蒸气吸附率与报道的最先进的 LiCl复合吸附剂的比较。d:不同吸附剂材料在高湿环境（90%RH）下吸水5小时的数码照片，包括传统的盐复合纤维膜CRP-LiCl和制备的PPy-COF@Trilayer-LiCl。LiCl 的潮解导致CRP-LiCl中的盐溶液泄漏，而仿生吸附剂PPy-COF@Trilayer-LiCl可以防止泄漏问题。e:当潮湿空气（60% RH）被吹到CRP-TX和PPy-COF侧时，仿生吸附剂的吸附饱和时间。f:仿生吸附剂的水传输和蒸汽扩散示意图，当潮湿空气被吹到其CRP-TX侧时。g:PPy-COF@Trilayer-LiCl在不同光照强度（0.5、0.75 和1个阳光）下的水解吸。h:PPy-COF@Trilayer-LiCl 的循环性能，其中吸水发生在 30% RH（每个循环一小时，每天24个循环）。
户外集水试验示范
图 5. a:户外环境下便携式大气水收集装置的数码照片。b:显示可穿戴装置在自然阳光下的水解吸过程的数码照片。c:2022年6月12-13日海口天气数据。d: 在自然环境湿度下24小时内的集水（即每1小时水蒸发14小时吸水的长循环和每30分钟水蒸发30分钟吸水的9个循环）。
总之，这项工作成功构建了PPy-COF@Trilayer-LiCl的仿生复合吸附剂，实现了从大气中快速收集水分。结果表明，仿生吸附剂具有从宏观到微观水平的多尺度互连多孔结构。此外，它在300-2500 nm的太阳光谱范围内表现出 ≈95.5%光吸收特性的出色光热性能。快速定向水传输和高光热转换效率都可以增强水蒸气吸附和解吸动力学。特别是，仿生复合吸附剂可实现1.43 kg m-2 h-1 的水蒸发率，在1个太阳光照下的太阳能热效率为98.4%。因此PPy-COF@Trilayer-LiCl吸附剂不仅在30%–80% RH下50分钟内表现出0.77–2.56 g g−1的卓越吸水性能，而且还允许快速释放超过78%的水，在0.5和1次太阳照射下，分别在20分钟和10分钟内捕获了超过95%的水。 此外，作为概念验证演示，设计了一种可穿戴式SAWG设备，它可以在室外条件下每天运行10个吸附-解吸循环，并产生 3.91 kg m−2 的清洁水，为未来便携式SAWG系统的研究工作提供灵感。
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