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全球淡水缺少已成为21世纪最急迫的应战之一。虽然地球外表70%被水掩盖，但可获取的淡水资源仅占全球水资源的2.5%，且近三分之二封存于冰川或难以使用。工业化、人口增长和气候均匀状况随时刻的改变加重了淡水危机，估计到2050年全球超50%人口将面对缺水问题。吸附式大气集水（SAWH）技能经过吸湿资料捕获大气水分并使用太阳能开释，被视为缓解水资源缺少的有效途径。但是，现有SAWH体系遍及依靠氯化锂等吸湿盐，存在盐走漏、结块和循环安稳性差等问题；一起，传统设备多为间歇式运转，每日仅完成单次吸附-脱附循环，导致时刻与动力功率低下。开发无盐、接连自动化且高效安稳的SAWH技能是当时要害应战。
。该资料由壳聚糖（CS）、海藻酸钠（SA）和羧甲基纤维素钠（CMC）组成，依托三维三聚氰胺泡沫骨架构建双层结构：底部吸湿层捕获水分，顶部光热层（掺入碳黑）驱动太阳能脱附。其在90%湿度下吸附量高达3.97 g g⁻¹，单日光照下脱附速率达3.33 kg m⁻² h⁻¹。野外原型设备经过同步吸附-脱附完成接连运转，周均日产水量达3234 mL kg⁻¹，逾越现有SAWH体系。此外，资料本征抗菌特性保证了水质安全，为干旱偏远地区供给了免保护的离网淡水处理计划。
该双层气凝胶由三种生物质聚合物构成（图1a），彻底躲避吸湿盐的走漏与结块问题（图1b）。其中心立异在于经过物理分隔规划完成接连运作：底部吸湿层继续捕获空气中的水分，经过内部通道输运至顶部光热层，在太阳能驱动下蒸腾并冷凝搜集（图1c）。试验证明，资料对大肠杆菌（E. coli）的抑菌率超90%（图1d），从源头保证水质安全。
图1 a) 双层气凝胶由三种生物质衍生聚合物组成 b) 生物质双层气凝胶有很大作用防备盐走漏与结块，具有优异循环安稳性 c) 根据双层气凝胶的全天候接连SAWH设备示意图 d) 湿润环境中双层气凝胶对大肠杆菌的抗菌活性
气凝胶以三聚氰胺泡沫（MF）为骨架，经过离心浸渍工艺均匀负载聚合物（图2a）。微观结构显现，单一CS或SA在MF骨架上涣散不均（图2e-g），而CS/SA复合凝胶构成粗糙的亚微米级多孔表皮（图2h-j），显着进步亲水性。增加CMC后，凝胶网络出现丝瓜瓤状分级孔道（图2k-m），微米级大孔增强水汽触摸，亚微米/纳米级孔加快输运。FTIR光谱证明，CS的─NH₃⁺与SA/CMC的─COO⁻经过静电作用构成聚电解质复合物，氢键网络进一步安稳结构（图2n-o），为高效水分捕获奠定根底。
在30%、60%和90%相对湿度（RH）下，CS:SA质量比为1:3的气凝胶吸附量别离达1.32、2.84和3.97 g g⁻¹（图3c,f）。高吸附性源于三重机制：亲水基团（─OH、─COOH、─NH₂）经过氢键捕获水分子（图3h）；单层水膜供给额定吸附位点；分级孔道加快水分子分散。比较毫米级聚氨酯骨架，MF的微米级孔（≈150 μm）供给更优吸附动力学（图S6）。
图3 a-f) 不同CS:SA质量比的双层气凝胶在30%/60%/90%湿度下的吸附动力学曲线 g) 与已报导吸附剂的功能比照 h) 亲水基团与水分子间静电作用示意图，展现多层吸附机制
碳黑涂层使湿气凝胶在300–2500 nm波段光吸收率超95%（图4a），1太阳光辐照下外表温度5分钟内升至34.8°C（图4b,d）。水分蒸腾速率达3.33 kg m⁻² h⁻¹（图4f），归因于界面局域加热与资猜中中心水（氢键弱化）的低蒸腾焓（图S10）。漆黑环境中，气凝胶经过吸收环境能量坚持脱附才能（图S12）。阅历20次循环后，吸附量坚持率超95%，结构无崩塌（图4g），证明其长时刻安稳性。
图4 a) 生物质气凝胶与双层气凝胶的紫外-可见-近红外吸收光谱比照 b) 枯燥生物质气凝胶与双层气凝胶在有无光照下的红外热成像图 c) 脱附功能测验设备：①双层气凝胶 ②太阳模仿器 ③电子天平 ④红外热像仪 ⑤电脑 d) 湿态双层气凝胶在1太阳光照120分钟内的红外热成像序列 e) 湿态双层气凝胶外表气温改变曲线 f) 湿态双层气凝胶质量随时刻改变曲线次循环中不同湿度下的吸水率
水分经过两层途径输运：MF骨架外表的粗糙凝胶表皮发生毛细力，推进水分子向上搬迁；内部丝瓜瓤状凝胶网络的微通道完成高效输运（图5a-d）。COMSOL仿真标明，吸附时水分子从外表向内部分散（图5e），脱附时光热层蒸腾驱动底部水分继续上移（图5f）。
图5 a) 双层气凝胶水分传输机制示意图 b) 吸水前后的光学显微镜图画比照 c) 太阳能驱动界面蒸腾示意图 d) 脱附进程中水分子间相互作用示意图 e) COMSOL模仿的吸附进程水分散布 f) COMSOL模仿的不同高度脱附进程水分散布
原型设备由冷凝玻璃罩、通风暗箱和集水皿组成（图6a）。七组气凝胶置于暗箱顶部，吸湿层朝内、光热层朝外。野外测验（山东榜首医科大学）显现，夜间（均匀RH 50.6%）吸湿层继续捕水，脱附层在弱光下蒸腾；白日（均匀光强52.8 W m⁻²）加快脱附（图6b-d）。接连形式日产水量（3250 mL kg⁻¹）较间歇形式进步40%（图6e），周均产值达3234 mL kg⁻¹，满意成人日需水量（图6f）。抑菌试验证明，气凝胶组大肠杆菌浓度显着低于空白组（图6g），保证水质安全。
图6 a) 根据双层气凝胶的全天候接连SAWH设备示意图 b,c) 昼夜野外测验的温度、湿度及太阳辐照度记载 d) 2025年4月22日18:00至23日18:00野外集水试验实景图 e) 7天野外测验的日均产水量 f) 双层气凝胶与已报导SAWH设备（含/不含吸湿盐）的产水功能比照 g) 空白组、CS粉末对照组及双层气凝胶试验组的大肠杆菌浓度（OD值）
该研讨创始的无盐生物质双层气凝胶，经过同步吸附-脱附完成了全天候接连大气集水，处理了吸湿盐走漏与间歇运作功率低的中心难题。分级孔道结构赋予其高吸附容量与快速水输运才能，而壳聚糖的抗菌特性保证了饮水安全。野外原型以3234 mL kg⁻¹ day⁻¹的产水量逾越现存技能，为干旱偏远地区供给了免保护、离网式淡水出产计划。未来，生物质质料的可继续性与低成本优势将推进该技能规模化使用，助力联合国可继续发展方针6（清洁饮水）的完成。
