有機凝膠進行光熱空氣集水研究取得進展

2020-08-15 光明網

淡水資源短缺問題日益嚴峻，傳統淡水製備因能源供應需求量大、設備龐大複雜等問題難以普及。近年來，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成為研究熱點。中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員陳濤、副研究員肖鵬前期發展一系列用於光熱淡水收集的高分子複合材料（Nano Energy, 2020, 68, 104311;Nano Energy, 2020, 68, 104385;ACS Sustain. Chem. Eng., 2020, 8, 13, 5328;Nano Energy2019, 60, 841;ACS Appl. Mater. Inter.2019, 11, 15498;Solar RRL,2019, 3, 1900004等）。除了海水資源，地球大氣中也存在著水汽資源（約50000km3）。通過材料在空氣中吸溼，在太陽能作用下實施光熱蒸發，進而實現空氣集水的技術正在興起。

鐵蘭屬植物（Tillandsia Species）是一類附生植物，其生存不依靠根莖從土壤中吸收水分，葉片直接從空氣中吸收水分即能存活。在葉片內部滲透壓的作用下，被吸附的水分可從最外組織到內部網絡定向運輸，最終儲存在葉片內部組織系統內，實現連續、快速的水分吸收（圖1）。

受此啟發，研究人員提出一種吸溼型光熱有機凝膠（POG）來實現太陽能驅動的光熱空氣制水。聚甲基丙烯酸鈉/丙烯醯胺的親水性共聚高分子水凝膠網絡可以將吸溼性的有機溶劑（甘油）容納其中。類似於鐵蘭植物，POG內吸溼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，通過聚合物鏈溶脹的形式將水儲存在其內部，實現POG連續、快速、高容量的吸溼性能。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的吸溼行為。在90％的相對溼度下，該POG在12小時內最終展現出6.12kg/m2的吸溼性能和16.01kg/m2的超高平衡水分吸附（圖2-3）。此外，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2.43kg/m2，收集到的淡水中的離子濃度的含量符合WHO和EPA的飲用水標準（圖4c-g）。該研究為太陽能光熱空氣集水提供一種新的材料體系，有機凝膠的聚合物骨架和吸溼介質的選擇具有高度可設計性，後期可通過設計進一步提高其空氣制水性能。

相關研究成果以Tillandsia-inspired Hygroscopic Photothermal Organogels for Efficient Atmospheric Water Harvesting為題，發表在Angew. Chem. Int. Ed.（DOI:10.1002/anie.202007885）上。該研究得到國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目、博士後創新人才支持計劃、中國博士後科學基金及王寬誠國際交叉團隊的資助。

圖1.POG仿生策略的設計

圖2.POG的吸溼性能表徵

圖3.POG的吸溼機理探究

圖4.a-b)POG的光熱蒸發性能；c-g)基於POG獲得純淨水的戶外實驗

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