近日，天津工业大学纺织科学与工程学院张松楠副研究员，以开孔的聚丙烯酸钠水凝胶（PAAS）为壳层，以温敏性的大孔径聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶（PNIPAAm）为核层，以聚多巴胺纳米粒子（PDA）为光热转化材料，开发了一种兼具高效吸湿性能及快速释水性能的光响应核壳PAAS-PNIPAAm水凝胶，有效地提高了水凝胶的大气水收集性能。该研究成果以“Sustainable hierarchical-pored PAAS-PNIPAAm hydrogel with core-shell structure tailored for highly efficient atmospheric water harvesting” 为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上（见文后原文链接）。 水凝胶是一种具有强吸湿性和三维网络多孔结构的聚合物材料，在水吸收和运输方面显示出巨大的优势。同时，它可以显著降低水蒸发所需的蒸发焓，脱水所需的能量低于以往的吸湿材料（分子筛、硅胶、沸石等）。因此，水凝胶被广泛应用于大气水收集方面。该研究成果以PAAS为壳层，以PNIPAAm为核层，以PDA为光热转化材料，采用紫外辐照方法制备了一种兼具高吸湿性能及释水性能的光响应核壳PAAS-PNIPAAm水凝胶，制备过程和各样品的电镜图如图1所示，该方法工艺流程简单，制备的水凝胶具有优异的大气水收集性能，为干旱地区获取可用淡水资源提供了一种有效的途径。
图1. a) 核壳水凝胶的制备流程。b-f) 核壳水凝胶的SEM图: b) PAAS水凝胶；c) PNIPAAm水凝胶；d) 核层和壳层之间连接处；e) 水凝胶表面粗糙度图像，Ra: 11.19 µm；f) 聚多巴胺颗粒。g) 水凝胶的EDS能谱图。 在聚多巴胺纳米粒子作用下，PDA@PP-Cl水凝胶具有优良的光热转化性能。如图2所示，在波长为280-2500 nm的范围内，其吸光度可高达95%。由于PDA@PP-Cl水凝胶具有更快的升温速率和更为灵敏的光热响应性，在一个太阳光光照5 min内即可达到75 ℃的平衡温度，且光热性能稳定性好。
图2. a) 水凝胶的吸收光谱。b) 湿态水凝胶在1个太阳光强度照射下的温度变化图。c) 不同PDA 浓度处理的水凝胶的表面温度的变化图。d)干态水凝胶在1个太阳光强度照射下的温度变化图。e) 水凝胶在1个阳光下的红外热成像图。f)水凝胶在不同光强下的温度变化曲线。 PDA@PP-Cl水凝胶的壳层采用孔径小、比表面积大，吸湿性优异的PAAS水凝胶，其可以在夜间将吸收的水分快速定向输送到核层，避免了一定程度的水分蒸发和氯化锂流失。核层采用孔径大，释水性优异的温敏性PNIPAAm水凝胶，其在聚多巴胺纳米粒子的作用下可以快速地释放水分并输送到壳层进行高效的光热水蒸发。核层和壳层水凝胶之间的相互协同作用可以有效防止氯化锂的损失，提高核壳PDA@PP-Cl水凝胶的吸湿能力和循环稳定性能。如图3所示，PDA@PP-Cl水凝胶在较宽的湿度范围内均展现出优异的吸湿性（2.76 g g-1，RH 90%；0.68 g g-1、RH 30%），并且PDA@PP-Cl水凝胶不同湿度下的吸湿性能明显优于多数报道的吸湿材料。同时，我们还对PDA@PP-Cl水凝胶的吸湿和释水机理进行了讨论。此外，聚多巴胺纳米粒子和温敏性PNIPAAm水凝胶的相互协同作用，可以快速将核层PNIPAAm水凝胶的表面温度上升到LCST以上，进而有效提高其释水性能。如图4所示，PDA@PP-Cl水凝胶在1太阳光强度下展现出优异的释水性能（1.42 kg m-2 h-1）。
图4. a) 水蒸发测试装置。b)水收集器内壁上水滴形成的照片。c)不同核壳比例的水凝胶在1个太阳照射下的释水性能。d)水凝胶在不同光照强度下的释水性能。e)聚多巴胺改性前后水凝胶的释水性能。 该研究成果制备的核壳结构水凝胶大气集水器在获取淡水资源方面展现出巨大的应用潜力，为水资源稀缺地区的淡水资源捕获提供了一种有效的途径。