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宁波材料所在铁兰启发的有机凝胶进行光热空气集水方面取得进展
作者:,日期:2020-08-10

  淡水资源短缺问题日益制约着社会的发展甚至威胁着人类的生存,已成为当今社会亟需解决的难题之一。传统的淡水制备通常需要大量的能源供应及复杂庞大的设备要求,因此很难普及。近年来,作为一种简单、有效的途径,通过合理设计的光热蒸发器利用绿色、可持续的太阳能来驱动丰富的海水资源转变成淡水已成为研究的热点。中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛研究员、肖鹏副研究员前期发展了一系列用于光热淡水收集的高分子复合材料(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)。除了丰富的海水资源,地球大气中也存在着巨大的水汽资源(约50000 km3),虽广泛分布缺很少被利用。通过材料在空气中吸湿,进而在太阳能作用下实施光热蒸发,以实现空气集水的技术正在兴起。

  铁兰属植物(Tillandsia Species)是一类典型的附生植物,其生存不依靠根茎从土壤中吸收水分,而通过其叶片直接从空气中吸收水分即能很好存活。在叶片内部渗透压的作用下,被吸附的水分可实现从最外组织到内部网络定向运输,并最终储存在叶片内部完善的组织系统内,以实现连续、快速的水分吸收(图1)。

  受此启发,研究人员提出了一种吸湿型光热有机凝胶(POG),以实现太阳能驱动的光热空气制水。聚甲基丙烯酸钠/丙烯酰胺的亲水性共聚高分子水凝胶网络可以将吸湿性的有机溶剂(甘油)容纳其中。类似于铁兰植物,POG内吸湿性的甘油介质在渗透压的作用下赋予其内部快速的水扩散,并通过聚合物链溶胀的形式将水储存在其内部,最终实现POG连续、快速、高容量的吸湿性能。另外,通过实验证明和理论分析,聚合物网络上亲水性的官能团也能协同增强POG的吸湿行为。最终,在90%的相对湿度下,该POG在12小时内展现出6.12 kg/m2的吸湿性能,并具有16.01 kg/m2的超高平衡水分吸附(图2-3)。另外,互穿的光热高分子网络聚吡咯-多巴胺(P-Py-DA)赋予POG优秀的光热性能,可以实现可控的太阳能驱动的界面水分释放,以获取被吸附的水分(图4a-b)。户外实验结果表明,该POG在实际的室外实验中淡水日产量达到2.43 kg/m2,且收集到的淡水中的离子浓度的含量完全符合WHO和EPA的饮用水标准(图4c-g)。本研究为太阳能光热空气集水提供了一种新的材料体系,且该有机凝胶的聚合物骨架和吸湿介质的选择具有高度可设计性,后期可通过更合理的设计进一步的提高其空气制水性能。

  该工作以题为“Tillandsia-inspired Hygroscopic Photothermal Organogels for Efficient Atmospheric Water Harvesting”的论文发表在Angew. Chem. Int. Ed.,2020,DOI: 10.1002/anie.202007885。本研究得到了国家自然科学基金(51803226)、中科院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-SLH036)、博士后创新人才支持计划(BX20180321)、中国博士后科学基金(2018M630695)及王宽诚国际交叉团队(K.C.Wong Education Foundation (GJTD-2019-13))等项目的资助。

图1 POG仿生策略的设计

图2 POG的吸湿性能表征

图3 POG的吸湿机理探究

图4 a-b) POG的光热蒸发性能;c-g) 基于POG获得纯净水的户外实验

  (高分子与复合材料实验室 倪锋)

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