寧波材料所陳濤團隊《Angew》：受鐵蘭啟發的仿生有機凝膠進行大氣水分收集
2020-07-30 高分子科學前沿淡水短缺問題威脅著人類社會的發展甚至關乎人類的生存，已日益成為世界各地所重視的難題。地球大氣中普遍存在著約50000 km3的稀有水蒸氣資源，而這類資源卻很少被開採，因此學者們開始關注並設想從空氣中收集水以生產純淨水。近年來，結合空氣吸收水分和太陽能加熱釋放的技術正在興起，已逐漸成為生產淡水的有效解決方案之一。其中，液體吸附劑可以通過滲透作用使濃縮水中的水迅速擴散，從而實現高吸附能力。然而，液體吸附系統仍然存在一些問題，例如吸附劑洩漏、便攜性差、吸附-解吸過程的結構不完整等等。因此，非常需要一種低能耗、獨立、高吸收和集成的吸溼光熱材料系統。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所陳濤、肖鵬副研究員等發現鐵蘭上具有吸溼性的葉片可吸收空氣中的水分，並通過滲透壓將水分子從葉片表面傳輸到內部網絡，有望滿足可持續發展的需求。受到鐵蘭的啟發，作者報導了一種仿生吸溼光熱有機凝膠（POG），以實現太陽能驅動的大氣水收集。該精心設計的親水性共聚物骨架可以容納吸溼性甘油介質，從而使POG具有獨立性、機械柔韌性和協同增溼作用。在90％的相對溼度下，該POG表現出16.01 kg/m2的超高平衡水分吸附，在實際的室外實驗中日產量達到2.43 kg/m2。這種受生物啟發的集成吸溼材料系統可以提供一種新的途徑來實現連續和高容量的大氣水分吸收。該研究以題為「Tillandsia-inspired Hygroscopic Photothermal Organogels for Efficient Atmospheric Water Harvesting」的論文發表在《Angewandte Chemie International Edition》上。
【仿生POG設計策略】
作為附生植物的代表，鐵蘭屬植物的吸溼性葉片能夠捕獲大氣中的水分。而聚集在該葉表面的水分可通過主動滲透作用實現從最外組織到內部網絡的定向運輸（圖1a）。該完善的組織系統可以有效地吸收水分，並調節葉片的蒸騰作用。受鐵蘭的啟發，作者報導的吸溼材料源自聚甲基丙烯酸鈉/聚丙烯醯胺的親水性共聚網絡。另外，通過聚吡咯-多巴胺（P-Py-DA）可以實現調控太陽能驅動的界面水分釋放，從而模仿鐵蘭的葉面吸溼和蒸騰行為（圖1b）。而親水性共聚物網絡可以容納吸溼性甘油介質，從而使POG具有獨立性、機械柔韌性和協同增溼作用。此外，POG中的甘油可以吸收空氣中的水分，通過滲透壓將其傳輸到內部，並以聚合物鏈膨脹的形式存儲，以實現高容量的水分吸收（圖1c ）。這種POG可以應用於大氣水分收集和太陽能驅動的水蒸發來獲得淡水（圖1d）。
圖1 仿生策略的設計
圖2 材料的製備與表徵
【太陽能驅動的水分脫附】
儘管POG與水分子之間的強相互作用可以實現POG從空氣中有效地吸附水分，但同樣也會阻礙POG的水分脫附。如圖3a所示，POG可以產生大量的熱能，因為它具有出色的光熱轉換性能並能將熱量集中在表面上，從而提供了足夠的能量來破壞水和POG之間的相互作用，進而實現有效的水脫附。在日光照射下，由於甘油的比熱容較小，製備出的POG可以達到較高的溫度（圖3b）。結果表明，吸水後的樣品在太陽光照12小時後可能會發生大量的水脫附（圖3c）。吸水後的POG水脫附率最初增加，然後降低，呈拋物線狀趨勢（圖3d）。其最大水脫附速率高達每小時1.77 kg/m2。對解吸後的POG結構進行表徵，發現其內部甘油在脫水過程中不會被擠出，這表明POG即使在經歷明顯的體積收縮後仍具有穩定的結構。
圖3太陽能驅動的水分脫附
【戶外實驗】
為了驗證POG在自然環境中進行太陽能驅動的大氣水分收集的可行性，作者進行了室外試驗。圖4a顯示了POG在夜間從空氣中吸收水分的示意圖，POG的吸水量約為4.39 kg/m2（圖4b）。在白天，作者將吸附水的POG放入自製的蒸發裝置中，以在自然陽光下收集淡水（圖4c）。在太陽光碟機動下，水蒸氣可以自然地冷凝在設備壁上（圖5f）。戶外實驗結果表明，基於平均強度為0.90 kw/m2的太陽光照下，該研究可以實現每天2.43 kg/m2的淡水產量，優於以往的基於液體吸附劑的相關工作。此外，作者通過紅外光譜對蒸發後的氣體進行了表徵，以證明蒸發過程中沒有甘油分子洩露（圖5h）。最後，作者分析了收集到的淡水中的離子濃度，結果表明四種主要離子（K+，Ca2 +，Na +，Mg2 +）的含量完全符合WHO和EPA的飲用水標準（圖5g）。
圖4 基於POG獲得純淨水的戶外實驗
總結：作者開發了一種受鐵蘭啟發的仿生吸溼性POG，可有效地收集大氣水分。經設計的親水性共聚物網絡可容納吸溼性甘油介質，從而使POG能夠高度吸水。親水性聚合物網絡與POG吸溼性液體吸附劑的協同作用可提供滲透作用，使水快速擴散，實現高效連續的水分吸附。集成的光熱P-Py-Da可以進一步釋放吸收的水分子，從而在實際的室外實驗中能夠產生每天2.43 kg/m2的純淨水。該研究為高效太陽能驅動的大氣水分收集提供了一條新途徑。
原文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202007885
來源：高分子科學前沿
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