水資源短缺已成為制約全球可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)集水技術(shù)多受限于地理水文條件或高能耗。在此背景下，基于吸附的大 氣水收集技術(shù)（SAWH）憑借不受地域限制、低能耗驅(qū)動、環(huán)境適應(yīng)性廣等獨特優(yōu)勢，正逐漸成為解決干旱與偏遠(yuǎn)地區(qū)淡水供給難題的前沿路徑。SAWH技術(shù)的核心性能高度依賴于吸附材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與功能協(xié)同，而天然木材作為來源廣泛、成本低廉且力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)異的可再生資源，近年來在多孔吸附基質(zhì)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。特別是經(jīng)脫木素處理的改性木材，在去除木質(zhì)素成分后，不僅暴露出大量親水性羥基位點，更形成了高度連通的三維多孔網(wǎng)絡(luò)，能夠顯著提升材料的吸濕容量，因而被視為新一代SAWH復(fù)合材料的理想骨架平臺。

近日，東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院韓帥元教授團(tuán)隊在期刊《Advanced Science》上發(fā)表題為“Autonomous and Continuous Atmospheric Water Harvesting Using Modified Wood”的研究論文，報道了一種基于天然木材改性的高性能SAWH復(fù)合材料。該研究的核心創(chuàng)新在于兩類結(jié)構(gòu)設(shè)計策略的協(xié)同實施：其一為脫木素改性優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)，通過選擇性去除木材細(xì)胞壁中的木質(zhì)素組分，大幅改善了內(nèi)部孔道的連通性，并有效增加了纖維素表面羥基的暴露密度，從而在微觀尺度上為水分子提供了更豐富的吸附位點；其二為聚合物網(wǎng)絡(luò)復(fù)合增強(qiáng)，團(tuán)隊將具有熱響應(yīng)特性的聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）與高吸濕性聚丙烯酸（PAA）構(gòu)建互穿網(wǎng)絡(luò)，利用真空浸漬工藝將其均勻引入脫木素木材的三維骨架內(nèi)部，并通過原位交聯(lián)形成穩(wěn)定的有機(jī)-無機(jī)雜化界面。這一設(shè)計使得PNIPAM/PAA網(wǎng)絡(luò)在低溫高濕條件下高效捕集水汽，在加熱條件下又能快速釋放水分，而剛性的木質(zhì)纖維骨架則有效抑制了聚合物在反復(fù)吸附-解吸過程中的結(jié)構(gòu)劣化，從本質(zhì)上解決了傳統(tǒng)吸濕材料循環(huán)穩(wěn)定性差的難題。本文第一作者是東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生何世恒，通訊作者為東北林業(yè)大學(xué)韓帥元教授，共同通訊作者包括高振華教授、霍鵬飛副教授、董繼東博士。

為加速實驗室成果向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，韓帥元教授團(tuán)隊進(jìn)一步將改性木材作為核心吸附單元，通過光伏發(fā)電太陽能板、鋰電儲能、焦耳熱解吸以及智能自動控制模塊，成功構(gòu)建了一套全自動全天候的大氣水收集系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托太陽能實現(xiàn)能量自給，通過焦耳熱技術(shù)對吸附劑進(jìn)行快速加熱，顯著提升了單次解吸效率與水回收率，并可在夜間高濕時段自主吸附、在預(yù)設(shè)條件下自主解吸，實現(xiàn)多次吸附-解吸循環(huán)的無人化運(yùn)行。這一方案突破了傳統(tǒng)光熱集水材料單日循環(huán)次數(shù)少、集水總量低的瓶頸，為干旱地區(qū)提供了一種可持續(xù)的淡水獲取新途徑。

總體而言，脫木素木材的天然多孔骨架與PNIPAM/PAA智能聚合物網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用，既保障了材料在宏觀尺度上的力學(xué)穩(wěn)定，又維持了微觀尺度下高效的吸濕性能。展望未來，該研究有望為全球水資源匱乏地區(qū)提供更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保且易于推廣的分布式淡水解決方案。

https://doi.org/10.1002/advs.75248