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寧波材料所在鐵蘭啟發的有機凝膠進行光熱空氣集水方面取得進展
作者:,日期:2020-08-10

  淡水資源短缺問題日益制約著社會的發展甚至威脅著人類的生存,已成為當今社會亟需解決的難題之一。傳統的淡水制備通常需要大量的能源供應及復雜龐大的設備要求,因此很難普及。近年來,作為一種簡單、有效的途徑,通過合理設計的光熱蒸發器利用綠色、可持續的太陽能來驅動豐富的海水資源轉變成淡水已成為研究的熱點。中國科學院寧波材料技術與工程研究所陳濤研究員、肖鵬副研究員前期發展了一系列用于光熱淡水收集的高分子復合材料(Nano Energy, 2020, 68, 104311; Nano Energy, 2020, 68, 104385; ACS Sustain. Chem. Eng., 2020, 8, 13, 5328; Nano Energy 2019, 60, 841; ACS Appl. Mater. Inter. 2019, 11, 15498; Solar RRL 2019, 3, 1900004等)。除了豐富的海水資源,地球大氣中也存在著巨大的水汽資源(約50000 km3),雖廣泛分布缺很少被利用。通過材料在空氣中吸濕,進而在太陽能作用下實施光熱蒸發,以實現空氣集水的技術正在興起。

  鐵蘭屬植物(Tillandsia Species)是一類典型的附生植物,其生存不依靠根莖從土壤中吸收水分,而通過其葉片直接從空氣中吸收水分即能很好存活。在葉片內部滲透壓的作用下,被吸附的水分可實現從最外組織到內部網絡定向運輸,并最終儲存在葉片內部完善的組織系統內,以實現連續、快速的水分吸收(圖1)。

  受此啟發,研究人員提出了一種吸濕型光熱有機凝膠(POG),以實現太陽能驅動的光熱空氣制水。聚甲基丙烯酸鈉/丙烯酰胺的親水性共聚高分子水凝膠網絡可以將吸濕性的有機溶劑(甘油)容納其中。類似于鐵蘭植物,POG內吸濕性的甘油介質在滲透壓的作用下賦予其內部快速的水擴散,并通過聚合物鏈溶脹的形式將水儲存在其內部,最終實現POG連續、快速、高容量的吸濕性能。另外,通過實驗證明和理論分析,聚合物網絡上親水性的官能團也能協同增強POG的吸濕行為。最終,在90%的相對濕度下,該POG在12小時內展現出6.12 kg/m2的吸濕性能,并具有16.01 kg/m2的超高平衡水分吸附(圖2-3)。另外,互穿的光熱高分子網絡聚吡咯-多巴胺(P-Py-DA)賦予POG優秀的光熱性能,可以實現可控的太陽能驅動的界面水分釋放,以獲取被吸附的水分(圖4a-b)。戶外實驗結果表明,該POG在實際的室外實驗中淡水日產量達到2.43 kg/m2,且收集到的淡水中的離子濃度的含量完全符合WHO和EPA的飲用水標準(圖4c-g)。本研究為太陽能光熱空氣集水提供了一種新的材料體系,且該有機凝膠的聚合物骨架和吸濕介質的選擇具有高度可設計性,后期可通過更合理的設計進一步的提高其空氣制水性能。

  該工作以題為“Tillandsia-inspired Hygroscopic Photothermal Organogels for Efficient Atmospheric Water Harvesting”的論文發表在Angew. Chem. Int. Ed.,2020,DOI: 10.1002/anie.202007885。本研究得到了國家自然科學基金(51803226)、中科院前沿科學重點研究項目(QYZDB-SSW-SLH036)、博士后創新人才支持計劃(BX20180321)、中國博士后科學基金(2018M630695)及王寬誠國際交叉團隊(K.C.Wong Education Foundation (GJTD-2019-13))等項目的資助。

圖1 POG仿生策略的設計

圖2 POG的吸濕性能表征

圖3 POG的吸濕機理探究

圖4 a-b) POG的光熱蒸發性能;c-g) 基于POG獲得純凈水的戶外實驗

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