研究背景：

吸附式大气集水（Atmospheric Water Harvesting，AWH）能够直接从空气中获取淡水，被认为是缓解全球水资源短缺、保障干旱及偏远地区供水的重要可持续技术。然而，现有吸附式大气取水仍面临材料与系统两方面瓶颈。一方面，传统吸湿聚合物气凝胶孔道连通性较差，水汽传质阻力大，普遍存在吸湿动力学缓慢、吸湿盐易渗漏等问题；另一方面，再生过程高度依赖外部热源。太阳能光热再生受昼夜变化及天气条件影响明显，难以实现全天候稳定运行；风能、光伏发电等电热再生方式则需经历"风（光）能—电能—热能"多级能量转换，不仅系统复杂，而且整体能量利用效率通常不足40%，设备成本较高，制约了大气取水技术的大规模应用。

近年来，研究团队围绕高性能吸附材料和高效再生方式开展了大量研究。已有工作主要聚焦于优化材料孔结构以提高吸水容量和吸附速率，并开发光热、电热等新型再生策略。然而，单纯依赖材料改性或再生方式优化均难以同时实现快速吸湿、高效低能耗再生以及全天候稳定运行。相比之下，高连通多孔吸附材料与风能直接热再生技术的协同耦合，为构建高产能、低能耗、全天候运行的大气取水系统提供了新的解决方案。因此，发展高性能吸附材料，并与风能直接热再生系统一体化设计，对于推动吸附式大气取水技术走向工程应用具有重要意义。

文章概述：

近日，南京工业大学李海青教授和周嵬教授团队采用高内相乳液聚合策略，构筑了具有连续互通大孔结构的高性能吸湿聚合物海绵（HPS），并首次将其与风力涡流加热（Wind-driven Eddy Current Heating，WECH）技术耦合，构建了风能驱动的大气取水系统，系统揭示了多孔结构和风力涡流加热参数对吸附/脱附性能的调控机制。相关成果发表在Advanced Functional Materials。

图文导读：

图1

研究团队利用乳液模板法制备了具有连续互通大孔网络的PSBMA基吸湿海绵，并通过精准调控LiCl吸湿盐负载获得性能最优的HPS材料。该材料孔隙率高达90.8%，孔径主要分布于10–30 μm，有效降低了水汽扩散阻力。吸附测试表明，在30%相对湿度条件下，材料1.5 h即可吸附1.08 g g^-1水分；在90%相对湿度下，饱和吸水量达到3.68 g g^-1，且整个吸附过程中未发生盐渗漏。材料具有优异的弹性和机械稳定性，可反复压缩回弹，耐久性能显著优于传统自由基聚合吸湿气凝胶。

针对再生能耗成本高的问题，团队构建了风力涡流加热再生系统。该系统利用风机驱动永磁转子旋转，在铜定子中产生涡流热，实现风能机械能向热能的直接转换，能量转换效率超过90%，避免了传统"风能—电能—热能"多级转换带来的能量损失。研究进一步系统考察了风机转速和定转子间隙对升温速率及脱附效率的影响。在900 rpm最佳工况下，饱和吸湿海绵脱附效率达到97.1%；经过50次连续吸附—脱附循环后，材料性能几乎无衰减，孔结构保持稳定，展现出优异的循环稳定性。

为验证系统的实际应用性能，研究团队进一步搭建了一体化大气取水原型机，并开展了室内和户外连续产水测试。在室内恒温恒湿环境（23.7–25.8 ℃，30.7%–51.7% RH）下，系统日产水量达到9.9 L kg^-1；在户外连续昼夜运行条件下，日产水量进一步提高至12.2 L kg^-1。此外，系统单位产水能耗仅为1.52 kWh kg^-1，显著低于传统热驱动大气取水系统。

研究团队认为，本工作首 次实现了高连通大孔吸湿海绵与风力涡流加热再生技术的深度耦合，建立了材料设计与再生方式协同优化的新策略，为高性能吸附式大气取水材料及可再生能源驱动装备的开发提供了新的研究思路。所构建的一体化风能驱动大气取水系统具有低成本、高能效、全天候运行等优势，在干旱地区、海岛、野外及无电网区域的分布式供水等场景具有广阔的应用前景。

论文信息：

Wind-Driven Atmospheric Water Harvesting Enabled by Highly Interconnected Macroporous Hygroscopic Polymer Sponges and Eddy Current Heating

Yingle Tao, Yang Qu, Cheng Huang, Chuan Zhou, Wei Zhou, Haiqing Li

Advanced Functional Materials

DOI:10.1002/adfm.77465

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.77465

期刊介绍

Advanced Functional Materials是Wiley旗下材料科学知名期刊之一，专注发表纳米技术、化学、物理、生物等应用领域中有关材料科学的重大突破。