大气集水技术能够直接从空气中获取淡水，是缓解缺水问题的重要技术方向。然而，高吸湿性的盐类材料容易潮解泄漏，而传统凝胶内部传热较慢，又限制了吸附水的快速释放。如何同时实现吸湿盐的稳定固定与材料内部热量的高效传递，成为提升大气集水材料性能的关键问题。

  针对这一难题，雷自强教授团队围绕吸湿盐锁定和凝胶高效传热开展研究，提出“锁盐-对齐”协同策略，构建了一种兼具锁盐、快速吸湿和高效太阳能释水的D-HKPB@LiCl复合凝胶。

  该成果以“Electrostatic Coordination SaltLocking and Anisotropic Thermal Highways for LeakageFree Atmospheric Water Harvesting”为题发表在材料科学领域顶级期刊Advanced Materials上。西北师范大学为论文唯一通讯单位。本文第一作者为西北师范大学博士后王向兵，通讯作者为彭辉教授、朱国锋教授和雷自强教授。

图1. “锁盐-对齐”协同策略及主动冷凝大气集水装置示意图

图2. 吸湿盐泄漏机制及KC硫酸根配位“锁盐”理论分析

  研究团队首先从分子尺度揭示了盐泄漏的热力学根源。理论计算表明，传统羟丙基纤维素（HPC）网络对Li⁺的束缚较弱，高湿环境下水分子容易参与竞争并导致盐迁移。因此，研究团队引入带有硫酸根的κ-卡拉胶（KC），利用KC与Li⁺之间更强的特异性配位作用，将吸湿盐稳定锚定在聚合物网络中，从分子层面抑制盐泄漏。

图3. 分子模拟及“锁盐”机制验证

  分子模拟与循环实验进一步验证了这一策略。KC的引入显著降低了Li⁺的迁移能力，使材料在反复吸湿-释水过程中仍保持良好的结构和性能稳定性。

图4. D-HKPB@LiCl复合凝胶的材料设计与层级结构构筑

  为解决凝胶内部热量传递缓慢的问题，研究团队将聚多巴胺包覆的氧化氮化硼PDA@BNO引入HPC/KC网络，并通过定向冻结构筑垂直排列的多孔结构。其中，KC负责“锁盐”，定向排列的PDA@BNO则形成连续的各向异性导热通道，同时为水蒸气传输提供更短路径。

图5. D-HKPB@LiCl的结构表征与定向微通道

  XPS、TEM、FTIR、XRD和SEM等表征结果证明了PDA@BNO的成功构筑、Li⁺与KC之间的配位作用，以及材料内部垂直排列微通道的形成。

图6. 大气水捕获性能及多阶段吸湿机制

  得益于稳定的吸湿盐活性位点和开放的定向孔道，D-HKPB@LiCl在30%-90% RH下的吸水量达到0.91-4.32 g g^-1。水分首先被Li⁺等活性位点捕获，随后通过氢键作用和化学势梯度向材料内部迁移，实现高效储水。

图7. 各向异性导热增强与太阳能驱动快速释水性能

  在释水阶段，定向PDA@BNO构建的“导热高速公路”显著提升了热量向材料内部的传递效率，材料面外导热系数达到0.49 W m^-1 K^-1。同时，PDA赋予材料优异的太阳光吸收能力，在1 Sun照射下实现快速升温和释水，最大脱附速率达到3.1 kg m^-2 h^-1。

图8. 主动冷凝装置及兰州冬季全天候户外集水测试

  为进一步提高实际集水效率，研究团队设计了侧壁主动冷凝装置，将高温蒸发区与低温冷凝区分离，促进水蒸气快速冷凝。在兰州冬季户外测试中，即使夜间平均温度仅4.3 ℃、平均相对湿度为62.8%，材料仍可实现1.56 g g^-1的吸湿量；在较低太阳辐照条件下，最终获得0.78 g g^-1的淡水。连续5个循环后，系统仍保持稳定运行。

  该研究通过“分子锁盐-结构定向-器件主动冷凝”多尺度协同设计，解决了盐泄漏、传热不足和冷凝效率低等瓶颈，为全天候大气集水提供了新思路。未来，团队将聚焦材料性能优化与规模化推广，拓展极端气候适用性，降低成本，推进集水设备迭代升级，向“低成本、高效率、长寿命”方向持续迈进，为农业用水和绿色可持续发展贡献力量。

  该成果得到国家自然科学基金（U23A20582，42371040）、国家重点研发计划（2022YFB4202100）等资助。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74757

作者简介：

  王向兵，西北师范大学博士后。研究聚焦于可降解材料体系设计与保水、集水材料创新，在生态环境功能材料领域取得系列一系列成果。目前以第一作者身份在Adv Mater、Adv Funct Mater、Environ Sci Technol、Small等国际权威期刊发表多篇SCI论文；申请3项国家发明专利（1项授权专利）；编撰英文学术专著1章；获批中国博士后科学基金第79批面上资助项目。

  彭辉，西北师范大学教授、博导。主要从事生态功能材料、新能源材料方面的研究工作，包括高分子凝胶保水，集水材料、聚合物基低维碳纳米材料、多功能凝胶电解质的制备及新型电化学能源器件的设计研究。迄今，在Adv Mater.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Energy Storage Mater.等国际知名期刊以第一作者/通讯作者发表SCI论文80余篇。近年来，主持国家自然科学基金项目2项，甘肃省杰出青年基金项目1项，甘肃省教育厅产业支撑计划项目1项等。荣获甘肃省自然科学二等奖（2015年，2025年）和甘肃省自然科学三等奖（2022年）等。

  朱国锋，西北师范大学教授，博导。主要从事水文与水资源，自然资源监测与区划方面的研究。主持多项国家自然科学基金、国家基础研究项目子课题、国家重点研发计划子课题、农业农村部农情监测项目。发表学术论文200余篇，出版学术专著5部，授权各类专利40余件。曾获中国农业区划一等奖（排名第9）、甘肃省自然科学奖（排名第1）、中国地理学会科普先进集体奖（排名第1）、甘肃省高校科技进步奖（排名第1）。入选斯坦福全球前2%顶尖科学家、甘肃省领军人才、中国科学院“西部之光”青年人才。

  雷自强，西北师范大学教授，博导。全国优秀教师，享受国务院政府特殊津贴。主要从事功能高分子和生态高分子材料等领域的研究工作，先后承担国家重点基础研究前期研究专项（973专项）1项、教育部创新团队项目2项、国家自然科学基金项目7项（包括区域创新发展联合基金重点支持项目1项）。在Advanced Materials, Applied Catalysis B: Environmental, Energy Storage Materials, ACS Nano及《科学通报》等发表论文近500篇，他引17000余次（H-index: 68），出版学术专著1部，合编著作3部，获授权发明专利109项。

  下载：论文原文。