淡水短缺是威胁社会和经济发展的全球挑战之一。太阳能作为一种清洁、可再生的能源，其在大气集水、光伏热系统和光热发电领域的应用展现出巨大潜力^［1-2］，特别是在干旱地区。因此太阳能驱动的大气集水技术因其环境友好和效益高而备受关注^［3］。据联合国预测，到2050年将有6亿人面临缺水问题，这使得开发高效、低成本的大气集水技术变得尤为迫切^［4］。大气中蕴含大量的水蒸气，一旦能实现低成本、高效益的淡水提取，高达13000万亿L的大气水将成为干旱地区的可持续水源。本文将探讨太阳能驱动吸附式大气集水系统的工作原理和影响集水性能的关键因素，综述多种吸附材料的功能结构、集水性能和最佳吸附条件，比较各种材料的优缺点，并分析如何强化吸附剂性能。研究成果将为太阳能驱动吸附式大气集水技术的发展提供重要的参考和指导。

1 大气集水技术的分类

大气水以云、近地雾气、空气中的水汽三种类型存在。从泛用性考虑，大气集水技术显示出可为干旱地区供水的巨大应用前景，并且较容易利用可再生能源（例如太阳能）驱动取水系统工作^［5］。Tu等^［6］阐述了目前大气集水技术（AWHT）的进展，包括辐射冷却、太阳能蒸馏、基于吸附/解吸的集水技术等。Ahrestani等^［7］介绍了冷凝结露法和吸附法两种大气集水技术。冷凝结露法主要利用制冷设备提供冷表面将湿空气冷凝至露点以下，并将析出的淡水收集。该方法一般适用于露点温度高于10 ℃的环境工况。而基于吸附/解吸的集水技术对环境和气候的要求较低，能实现在一年中任何时间和天气产水^［3］。吸附剂可捕获大气中的水蒸气，并在太阳能驱动下析出淡水。该方法本质上是采用吸附−脱附循环来提高所处理空气的露点，使其在较高冷凝温度下依然能析出淡水，特别适用于沙漠地区。因此，为降低能源供给成本，实现沙漠地区的淡水提取，利用可再生能源（特别是太阳能）驱动大气集水系统是吸附/解吸大气集水技术的重要发展方向。

2 太阳能驱动吸附式大气集水系统的工作原理

太阳能驱动吸附式大气集水（SAWH）系统是一种利用太阳能在一定相对湿度条件下从大气中提取水的高效解决方案^［8］。该系统工作过程主要包含水汽吸附、吸附剂再生、水蒸气冷凝。吸附−再生−冷凝法利用干燥剂在夜间从潮湿的空气中吸收水分，而后在太阳能驱动下将水从干燥剂中解吸，产生的水蒸气经冷却后凝结为淡水并被收集，同时冷凝热释放至环境中。图1为太阳能驱动吸附式大气集水示意图。

3 SAWH系统性能的影响因素

SAWH系统性能受到太阳能的利用效率、环境参数、系统结构和策略、吸附剂类型和特性等影响^［9］。在水吸附−脱附循环中，与热量和质量传递相关的系统与策略设计是提高系统集水性能的重要因素，而吸附剂材料是影响整个系统集水性能的关键。吸附剂的吸附特性包括等温吸附性能及动态吸附特性，解吸能力则由驱动温度、解吸动态特性、水分残余量决定。吸附−再生−冷凝法主要利用吸附剂自发吸附空气中的水蒸气。除气候条件和设备因素外，吸附材料的孔道结构、亲水性、导热性和稳定性等也直接影响系统的水产量和能耗^［10］。理想的吸附剂材料能够在宽相对湿度范围内吸水，并随温度的升高脱水再生，且价格低廉，易于大规模推广使用，因而不同吸附材料/基质的研发受到广泛关注。目前，已有多种类型的吸附剂被用于大气集水，如固态吸湿剂、金属有机框架（MOF）、水凝胶等^［11］在大气集水方面均展现出巨大应用潜力。

4 太阳能驱动吸附式大气集水系统的吸附剂研究 4.1 常用吸附剂的性质 4.1.1 活性炭/活性炭纤维/碳纳米管

活性炭以非石墨微晶结构为主，表面布满了分子大小的“孔”（空隙、空间、位点、孔隙等）。这些孔道表面碳原子附近的范德华力是吸附过程的驱动力。活性炭纤维（ACF）是继颗粒活性炭、粉状活性炭之后的第三代活性炭，具有比表面积大、微孔均匀、稳定性好等优点，能吸附H₂O，被广泛用作吸附剂基质。Chen等^［12］以商用ACF为基础，采用真空活化法制备高比表面积活性炭纤维。结果表明，利用该方法制备的活性炭纤维的孔隙结构得到显著改善。经过1 050 ℃下活化2 h的活性炭纤维，作为吸附剂在25 ℃下其水吸附量最大可达1.36 g/g（水吸附量均以g/g表示，指单位质量吸附剂的吸附水量），比商用ACF的（0.64 g/g）高出112.50%。为提高复合材料的载盐量和吸水性并防止渗漏，Ejeian等^［13］制备了LiCl/MgSO₄/ACF二元盐复合材料M10LS，其水吸附量达到2.29 g/g。在夏季，采用该材料的集水设备可从相对湿度（RH）35%的空气中集水，水吸附量为0.92 g/g。Wang等^［14］报道了一种强制风冷概念的验证装置，用于岛屿空气集水。该装置采用21 kg活性炭纤维毛条–硅溶胶–LiCl30复合吸附剂材料ACFF/silica/LiCl30，在模拟岛屿条件下，利用空气冷却，每昼夜循环中可产生高达7.7 kg水（在31 ℃和63%RH下吸附），热效率为0.37，水吸附量为0.7 ～ 1.6 g/g。针对低相对湿度下从大气集水面临的困难，Guo等^［15］制备了由生物质和吸湿盐组成的超吸湿性聚合物薄膜（SHPF），其在15% ～ 30%RH下表现出高吸水性，水吸附量为0.64 ～ 0.96 g/g。凭借优异的快速吸附−解吸动力学性能，SHPF在干旱环境中每天可完成14 ～ 24个吸附−解吸循环，每kg SHPF可产生5.8 ～ 13.3 L水。通过改善ACF表面含氧官能团性能，重构孔隙结构，可增强ACF在低相对湿度范围内的水蒸气吸附能力。

4.1.2 石墨烯

石墨烯具有良好的导热性和电子传递性，有利于传热和吸附过程的进行。利用超声波分散、冻干和化学还原技术，Yao等^［16］开发了一种基于多孔聚丙烯酸钠/石墨烯框架（PGF）的复合吸附材料，其可在宽相对湿度范围内主动吸收雾霾环境中的水分，去除水中杂质，并在太阳能驱动下产生清洁水。拥有丰富官能团的多孔聚丙烯酸钠均匀分布于氧化石墨烯片表面，两者以范德华力和氢键相互结合。在100%RH时，PGF水吸附量为5.20 g/g；在15%RH时，水吸附量为0.14 g/g，杂质去除率达97%。赵惠忠等^［17］利用石墨烯与LiCl合成复合吸附剂石墨烯−13XLiCl（13X指钠X型硅铝酸盐的分子筛），发现添加石墨烯会增大吸附剂的比表面积、孔体积和孔径，使吸附剂表现出优越的吸水能力，同时石墨烯的高导热性还能促进吸附剂解吸脱水。复合吸附剂3G−MZ在25 ℃和60%RH下的吸附能力最强，对水蒸气的吸附量最大为0.587 g/g，为13X的2.7倍，解吸量为0.5 g/g。尽管加入石墨烯能改善复合吸附剂的孔隙结构特性，但其吸附性能未随石墨烯质量分数的增加进一步提高。因为对水蒸气的吸附性能不仅取决于吸附剂的孔隙结构，还取决于孔隙中盐溶液对水分子的吸收。

4.1.3 硅胶

硅胶具有开放的多孔结构，其纳米级微孔结构表面分布着大量羟基。羟基与空气中的水分子产生亲合力，从而实现对水分子的高亲和性吸附。Mulchandani等^［18］在硅胶表面应用光热纳米材料以提供局部热源，从而迅速提高吸附剂表面温度以改善材料吸附动力学特性，增加水蒸气解吸量。该吸附剂分别在40%、60%和80%RH下吸附水，在1000 W/m²太阳辐照度下进行解吸。经质量分数为5%炭黑涂层修饰的硅胶在40%RH下每天可完成超过10个吸附−解吸循环，每12 h吸附剂的水吸附量为0.47 g/g，比裸硅胶吸附剂1个标准循环产生的水量多10倍。Essa等^［19］在双坡半圆柱形盆式太阳能蒸馏器上测试了一种新型高吸湿性硅胶干燥剂。该吸湿性硅胶的性能与橙色硅胶的类似，在25 ℃和50%RH下，吸湿性硅胶水吸附量为0.25 g/g。固相硅胶吸附剂材料可以在较宽的相对湿度（20% ～ 100%）和温度（20 ～ 40 ℃）范围内吸附和浓缩水蒸气。Kumar等^［20］采用商用橙色硅胶吸附剂在夜间吸水，次日将吸附剂暴露在太阳（平均辐照度为780 W/m²）下，每kg吸附剂日产水量可达98 g。在25 ℃和20% ～ 90%RH下，橙色硅胶水吸附量为0.09 ～ 0.29 g/g。

4.1.4 水凝胶

近年来，水凝胶逐渐在大气集水研究领域受到研究人员的关注。水凝胶因其与应用材料的高相容性，可用于改善吸附材料的机械性能、光热性能和导热性能。Li等^［21］以聚丙烯酰胺（PAM）构筑水凝胶网络，以碳纳米管（CNT）作为光热组分，制备了PAM−CNT−CaCl₂水凝胶复合吸水材料。在35%、60%和80%RH下，吸附剂的水吸附量分别为0.74、1.10和1.75 g/g，且在常规太阳辐照度下几乎释放了所有捕获水。Entezari等^［22］首次提出了二元聚合物盐组合应用的概念，将官能化碳纳米管包埋在水凝胶结构中以增加太阳光谱吸收量、光热转换系数并增强材料的机械柔性。二元聚合物盐提升了材料的亲水性，其多孔结构促进了水蒸气扩散。这些特性使得复合材料Bina/FCNT在25 ℃和70%RH下水吸附量达5.60 g/g。即便在低RH下，如25 ℃和20%RH下，该复合材料的水吸附量依然可达1.40 g/g，与昂贵的MOF材料吸附性能相当。基于抗聚电解质效应，Lei等^［23］开发了聚两性离子水凝胶PDMAPS−LiCl。该材料在30%RH下120 min内水吸附量为0.66 g/g。Wang等^［24］开发了一种超高单位体积含水量和低温驱动的水凝胶基复合吸附剂（PCLG）。该吸附剂在45 ℃和40%RH下的水吸附量为2.55 g/g。与片状结构机组相比，蜂窝优化结构原型机组的吸水量提高了50%以上。该装置1 m²吸附剂在潮湿条件（25 ℃和75%RH）下产水量为3.8 kg，在沙漠条件（30 ℃和30%RH）下产水量为1.08 kg。在730 W/m²太阳辐照度下，该PCLG取水装置在35 ℃冷凝温度下1 m²吸附剂的日集水量为2.9 L。该装置在全球范围内单位面积（1 m²）吸附剂集水量最高可达6 L，可见只需配置1 ～ 2 m²吸附剂的该装置就能满足沙漠地区一个成年人的日用水需求。

4.1.5 气凝胶

气凝胶作为一种良好的吸附材料，具有密度低、比表面积高、对各种污染物吸附能力强等优点。Wang等^［25］设计了一种耐盐性氧化石墨烯纤维素复合气凝胶（GO−based气凝胶）。该材料具有数百μm的大孔径，可负载质量分数为50%的CaCl₂。该材料在40%、60%、80%、98%RH下的水吸附量分别为0.34、0.84、1.35、1.82 g/g。Hou等^［26］研究了一种多功能的气凝胶纤维（LiCl@HGAFs）。该材料具有高比表面积和良好的吸水动力学特性，可实现水吸附量4.15 g/g（90%RH下）。且吸附剂可通过光热和电热方法再生，在加热和冷却模式下，性能系数分别为1.72和0.70。随着集水量的增加，LiCl@HGAFs表现出广泛的微波吸收特性（带宽为9.69 GHz），以及良好的阻抗匹配和高衰减常数（值为585）。多功能的LiCl@HGAFs为水收集、热分配和微波吸收等应用开辟了一条新途径。

4.1.6 金属有机框架

MOF是由金属离子或簇与有机配体通过配位键组成的一种新型多孔吸附材料，具有孔隙率高（达90%）、比表面积大、易功能化等特点。在其制备过程中可同时优化材料的稳定性、亲水性和孔径参数，且在低相对湿度下该材料往往具有优异的吸附性能。目前，世界各地的研究者已经设计和合成了20 000多种MOF^［27］。由于MOF具有高吸附性能和靶向设计的潜力，它在跨学科应用中展现出前所未有的广阔前景。Kim等^［28］搭建以MOF−801材料为核心的空气取水装置。在25 ℃和20%RH的干旱工况下该装置水吸附量为0.25 g/g。Hu等^［29］以空心铬基MOF材料MIL−101（Cr）为基础合成了碳纳米管修饰铬基MOF颗粒（HMC−2），并将其用于太阳能驱动的大气集水，结果表明HMC−2具有良好的水吸附性能和快速的解吸动力学性能。蚀刻形成的分层多孔MIL−101（Cr）颗粒具有高活性的缺陷位点和低传质阻力，从而促进了水分子的吸附和扩散。HMC−2在25 ℃和90%RH下最大水吸附量为1.074 g/g。在碳纳米管和空心MIL−101（Cr）的协同作用下，HMC−2展现出良好的光热转换特性，从而提高了其解吸动力学性能。在太阳光照射下，HMC−2的最大水吸附量可在90 min内完全解吸，材料的单次吸附−解吸周期为210 min。Abtab等^［30］为制备具有高孔隙率和高稳定性的可调控多孔固体，研制出一种化学和水解性能稳定的铬基金属有机框架（Cr−soc−MOF−1）。该材料具有特殊的孔隙率、极高的稳定性和出色的吸附性能。在25 ℃和70%RH下，该材料的水吸附量达到1.95 g/g，并在超过100次吸附−解吸循环中仍保持吸水率不变。鉴于介孔金属有机框架具有优异的水吸附性能，Rieth等^［31］评估了在沙漠地区Co₂Cl₂BTDD材料取水的潜力。通过调控材料的孔径使其大于产生水的毛细作用时的临界直径，从而实现了材料在水吸附和脱附之间的可逆性。在夜间25 ℃和30%RH下，该吸附剂水吸附量为0.82 g/g。

4.1.7 改性沸石/多孔无机材料/多孔聚合物

沸石是一种具有孔隙结构的固体晶体骨架材料。水分子进入沸石后，会受到孔隙内的正电荷的极化作用，并通过范德华力被吸附在孔隙内。随着吸附过程的进行，水分子会逐渐被孔隙中的其他水分子吸附，直到孔隙内充满水分子。在30%RH时，AlPO₄−34和AlPO₄−LTA沸石水吸附量分别为0.29 g/g和0.38 g/g^［32］。Mittal等^［33］以PAM超孔水凝胶（SPHs）和沸石（AQSOA−Z02）为原料，制备了具有优异吸水性能的高效固体吸附剂。在25 ℃和90%RH下，利用沸石孔道毛细凝聚作用和亲水性官能团的吸附作用，可使吸附剂水吸附量从无沸石结构下的0.77 g/g提高至0.89 g/g。Nguyen等^［34］制备了一种多孔、二维亚联的共价有机框架材料（COF−432）。该材料具有中空的方形网格拓扑结构，以及优良的抗水解性能，在低RH下具有陡峭且无迟滞的吸水特性曲线。在25 ℃和34%RH下，该材料的最大水吸附量达0.30 g/g。

将光热纳米材料和LiCl组合，可制备具有强亲水多孔结构的大型固体吸附剂，以实现快速集水。Li等^［35］开发了一种由纳米碳空心胶囊和位于胶囊内部的LiCl组成的新型纳米吸附剂（HCS−LiCl）。在25 ℃和60%RH下，该材料在3 h内水吸附量为1.0 g/g，在1000 W/m²太阳辐照度下仅0.5 h即释放出92% ～ 100%的吸附水。与纯LiCl相比，该材料的吸附动力学性能显著增强。该材料在低相对湿度（20%）下水吸附量为0.4 g/g，在高相对湿度（80%）下水吸附量大于2.0 g/g。Wang等^［36］利用LiCl、纳米纤维化纤维素亲水骨架和石墨烯，开发出一种微米级和纳米级通道互连的纳米多孔双层结构吸湿气凝胶（NBHA）。在室外温度为24 ℃和RH分别为18%、33%和42%下，NBHA的水吸附量分别为0.55、0.80和0.92 g/g。在25 ℃和95%RH的恒温室中，该材料水吸附量可达2.23 g/g。NBHA具有高效储水性能，即使在18%RH下，也能快速吸收大气水。通过MOF前驱体热转化合成的纳米多孔碳同样具有高亲水性，可在相对湿度小于等于80%下捕获水蒸气的同时实现太阳能驱动的快速解吸。Song等^［37］研究了一种高集水产率的MOF衍生纳米多孔碳，它具有快速的吸附动力学性能和优异的光热性能。在25 ℃和40%RH下，该材料水吸附量为0.252 g/g；即便在30%RH下，该材料水吸附量仍为0.180 g/g。

Li等^［38］采用多孔聚四氟乙烯薄膜封装负载LiCl的活性碳纤维毡，制备得到锂膜封装复合吸附剂（HMS−Li）。HMS−Li是一种可扩展、低成本、高性能的复合吸附剂，可配合便捷式大气集水设备使用。Li等^［38］采用湿空气状态热力学框架，利用吸附剂与冷凝器温差大的特点，研制出中空保温网结构装置，使取水装置的产水率提高了20.5%。在30 ℃和70%RH下，经过12 h的吸附，HMS−Li最大水吸附量达到2.59 g/g，高于未经封膜的吸附剂HS−Li的水吸附量2.20 g/g。在室外实验中该装置单日单位质量（1 kg）、单位太阳能照射面积（1 m²）分别实现了34.8、1399.28 g的水生产量。因此，采用可扩展、高效的被动式SAWH设备并配合低成本、高性能的复合吸附剂，可在实际场景中实现低成本、高效取水的目的。

4.2 不同吸附剂的性能比较

通过调研将不同吸附剂的水吸附量和水脱附率分别列于表1和表2中。由表1中可知，相对于其他材料，水凝胶材料在宽温度、湿度范围表现出更强的吸水性能。Entezari等^［22］研发的二元聚合物盐水凝胶复合吸附剂Bina/FCNT，即便在20%RH下，水吸附量仍能达到1.40 g/g。在低相对湿度（≤40%）下MOF材料和多孔复合材料展现出优越的吸附性能，其中NBHA纳米多孔材料在18%RH下水吸附量可达0.55 g/g。在中等相对湿度范围（40% ～ 80%），除水凝胶材料外，活性炭材料和多孔复合材料也展现出优越的吸水性能，其中M10LS复合材料在70%RH下水吸附量达到2.29 g/g。相比之下，硅胶材料的吸水性能较差。在高相对湿度（≥80%）下，气凝胶和纳米多孔材料表现出优异的吸水性能，其中LiCl@HGAFs在90%RH下的水吸附量高达4.15 g/g。由表2中可见，在水脱附过程中，MOF−801、HMC−2等MOF材料更具优势，可将水脱附率提高至90%以上。硅胶材料更适用于低温脱附，在43 ℃下其水脱附率可达92.5%。纳米多孔材料和水凝胶也能在低温下有效解吸水。活性炭和石墨烯材料在较高温度（70 ～ 90 ℃）下展现出高水脱附率，其中M10LS材料在80 ℃下的水脱附率可达100%。

表3为典型吸水材料的类型、优缺点和性能强化策略。石墨烯、活性炭、硅胶等作为基础的多孔吸附剂，其吸附动力学性能较差，因此可将其与另一种性能良好的材料组合制成复合材料，以提高其吸水性能。虽然水凝胶等吸湿性高分子吸附剂的吸水性能较好，但仍需通过共聚不同单体来增强其吸水性能，其中吸湿盐在水凝胶吸附取水时发挥了关键作用。MOF材料展现出优越的吸附−解吸能力，但MOF材料的高成本限制了其在大气集水技术中的推广应用，后续研发重点将聚焦具有竞争力的MOF材料。对比各类复合吸附剂的特性和制备方法发现，高性能吸附材料均由性质不同的吸附基质、导热材料和吸湿盐耦合而成，从而最终达到强化复合吸附剂吸附性能的目的。

5 结语

太阳能驱动吸附式集水技术是离网分布式供水的重要途径，而高性能吸附剂是大气集水技术的核心。本文阐述了典型吸水材料的吸附机理和特点，总结了在特定温度、湿度条件下材料的吸附水和脱附水能力，系统地比较和评价了各吸附剂性能。目前，大气集水技术在开发高性能吸附材料和提升集水循环性能方面取得了重大进展。为促进大气集水技术的规模化应用，未来仍须在以下几个方面开展研究。

（1）在吸附水方面，MOF材料具有高比表面积和可调孔径等优势，具有良好的吸附/脱附动力学性能，但其合成工艺复杂、易受杂质影响以及成本较高等因素均限制其应用，未来可开发新合成方法和新配体，制备经济实惠且结构稳定的MOF材料；水凝胶材料具有吸水性能良好、易于制备、成本低廉的优点，但吸水速率较低、易降解、无孔等因素制约其发展，通过单体聚合及原位孔隙制备等方法有望改善其吸附动力学性能并提升制备效率；石墨烯、硅胶、气凝胶、沸石等单一材料成本相对较低，但吸水性能有限，可与高性能材料组成复合材料，从而增强吸水性能。

（2）在脱附水方面，MOF和硅胶材料展现出卓越的低温解吸水性能，而活性炭和石墨烯材料必须在较高温度下方能有效脱附水。可通过改性材料的表面官能团，适当减弱范德华作用力，以降低脱附温度。

（3）在复杂多变的大气集水环境下，单一吸附剂很难满足应用需求，常采用复合吸附剂以获得优异性能。根据不同集水地区的温度、湿度特性，针对性地调控吸附基质、导热材料及吸湿盐比例，从而达到强化复合吸附剂吸附性能的目的。

（4）为充分发掘复合吸附剂的应用潜力，可开发如双级大气集水设备、膜封装复合吸附剂大气集水装置等新型可扩展设备，以增强吸附过程的传热传质效率，降低解吸和冷凝过程的能量损失。

未来优化吸附材料的微观结构，改善吸附基质的亲水性，增强复合材料的热导率，并研制高效益低成本的吸附−解吸装置，是实现大气集水技术规模化应用面临的挑战。太阳能驱动吸附式集水技术正蓬勃发展，逐渐成为一种具有前景和潜力的选择，并为缓解全球淡水短缺问题提供了可持续且可靠的技术方案。