東北林業大學韓帥元課題組《AS》：利用改性木材實現全天候全自動連續大氣水收集

水資源短缺已成為制約全球可持續發展的嚴峻挑戰，傳統集水技術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（SAWH）憑借不受地域限制、低能耗驅動、環境適應性廣等獨特優勢，正逐漸成為解決干旱與偏遠地區淡水供給難題的前沿路徑。SAWH技術的核心性能高度依賴于吸附材料的結構設計與功能協同，而天然木材作為來源廣泛、成本低廉且力學結構優異的可再生資源，近年來在多孔吸附基質領域展現出巨大潛力。特別是經脫木素處理的改性木材，在去除木質素成分后，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絡，能夠顯著提升材料的吸濕容量，因而被視為新一代SAWH復合材料的理想骨架平臺。

近日，東北林業大學材料科學與工程學院韓帥元教授團隊在期刊《Advanced Science》上發表題為“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復合材料。該研究的核心創新在于兩類結構設計策略的協同實施：其一為脫木素改性優化孔隙結構，通過選擇性去除木材細胞壁中的木質素組分，大幅改善了內部孔道的連通性，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；其二為聚合物網絡復合增強，團隊將具有熱響應特性的聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）與高吸濕性聚丙烯酸（PAA）構建互穿網絡，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部，并通過原位交聯形成穩定的有機-無機雜化界面。這一設計使得PNIPAM/PAA網絡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，而剛性的木質纖維骨架則有效抑制了聚合物在反復吸附-解吸過程中的結構劣化，從本質上解決了傳統吸濕材料循環穩定性差的難題。本文第一作者是東北林業大學材料科學與工程學院碩士研究生何世恒，通訊作者為東北林業大學韓帥元教授，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實際應用的轉化，韓帥元教授團隊進一步將改性木材作為核心吸附單元，通過光伏發電太陽能板、鋰電儲能、焦耳熱解吸以及智能自動控制模塊，成功構建了一套全自動全天候的大氣水收集系統。該系統依托太陽能實現能量自給，通過焦耳熱技術對吸附劑進行快速加熱，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、在預設條件下自主解吸，實現多次吸附-解吸循環的無人化運行。這一方案突破了傳統光熱集水材料單日循環次數少、集水總量低的瓶頸，為干旱地區提供了一種可持續的淡水獲取新途徑。

總體而言，脫木素木材的天然多孔骨架與PNIPAM/PAA智能聚合物網絡的協同作用，既保障了材料在宏觀尺度上的力學穩定，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提供更加經濟、環保且易于推廣的分布式淡水解決方案。

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