生态地质环境保护与修复团队在清洁生产杂志（JCPL）《Journal of Cleaner Production》上发表研究成果：淀粉衍生光响应型吸湿水凝胶用于全天候大气集水

据报道，世界上一年中至少有一个月面临严重缺水的人口达40亿，全年面临严重缺水问题的人约有5亿。因此，在全球范围内发展清洁水生产迫在眉睫。空气中的水蒸气是分布最为广泛的水资源，占淡水资源含量的10%，其含量高达129000亿吨，相当于河流水的六倍。大气集水（AWH，Atmospheric water harvesting）技术是从空气环境中捕获气态水来产生清洁液态水进而解决缺水问题的新策略。

图1 世界平均年相对湿度的地理分布，

相对湿度低于40%的区域从棕色到红色(暖色)区域表示

(来源于Nature Communications, 2022, 13:2761 ）

大气集水材料是实现该策略的关键，集水功能在较大程度上取决于物理/化学改性、合理的结构设计和有效的功能配合。同时，材料应该具有高集水性、低成本、环境友好以及合成程序简单等特性。基于此，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室生态地质环境保护与修复团队依托国家重点研发计划等课题于近日在Journal of Cleaner Production（《清洁生产杂志》）上发表题为“Starch-derived photoresponsive high-efficientcy hygroscopic hydrogel for all-weather atmospheric water harvesting”的研究成果。该成果中报道了淀粉衍生光响应型超吸湿水凝胶，吸附容量达到8.5 g/g，其性能优于目前文献已报道的类似功能材料, 高于近日麻省理工学院（MIT）在《Advanced Materials》报道的超吸湿水凝胶集水效能和较优异的盐负荷性能。

图2 淀粉衍生光响应型吸湿水凝胶吸附性能研究

该材料在光照强度0.5-2kWm-2的范围内实现高效吸附-释放水分的过程。研究揭示了水分吸收剂和太阳能吸收剂对水凝胶交联网络结构的影响，并对水凝胶的大气集水机理进行了探究。研究表明：水分子在吸湿水凝胶中以自由水和中间水的形态存在，吸湿水凝胶表面的多孔及波纹状结构提供了足够多的氯化锂活性位点，通过氯化锂快速吸附水分子并液化，生成的液态水再传递到聚合物网络中进行储存，使水蒸气结合位点被重新激活。淀粉衍生光响应型吸湿水凝胶在自然环境中利用夜间/白天循环可逆吸湿并释放以实现生产清洁水。

图3 淀粉衍生光响应型吸湿水凝胶吸附机理图

图4 淀粉衍生光响应型吸湿水凝胶在室外的AWH和太阳能清洁水产生

通过对这类材料属性和工程技术的研究，对于沙漠和干旱地区的水资源利用具有重大意义，可能为这些地区带来革命性的变化。我们将不断创新和改进，通过宏量化制备应用于干旱地区的生态修复植被灌溉中。团队正在开展这类新材料在腾格里沙漠光伏治沙区生态修复示范工作，为解决干旱地区空气水资源利用提供理论基础、技术支撑和应用范例，为生态修复植生层水分自维持提供可持续的解决方案。

图5吸湿水凝胶用于生态修复植生层水分自维持示意图

图6 Journal of Cleaner Production文章首页

原文链接和DOI：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.137897

成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室为该成果的第一完成单位，生态环境学院研究生张宏丽为第一作者，重点实验室裴向军教授、周立宏教授为通讯作者。

Journal of Cleaner Production（《清洁生产杂志》，简称JCLP）是一本国际性的跨学科期刊，收录于 Science Citation Index Expanded(SCIE)索引，是清洁生产、环境和可持续性领域最有影响力的学术期刊之一，也是环境科学与生态学1区TOP期刊，2022-2023最新影响因子IF=11.1。