中科院寧波材料所陳濤、肖鵬合作在鐵蘭啟發的有機凝膠進行光熱空氣集水取得進展

時間:2020-08-19 10:36來源:中國科學院寧波材料技術與工程研究所
  淡水資源短缺問題日益嚴峻,傳統淡水制備因能源供應需求量大、設備龐大復雜等問題難以普及。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濕,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。
圖1.POG仿生策略的設計
  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濕型光熱有機凝膠(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,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、高容量的吸濕性能。
圖2.POG的吸濕性能表征
圖3.POG的吸濕機理探究
  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。在90%的相對濕度下,該POG在12小時內最終展現出6.12kg/㎡的吸濕性能和16.01kg/㎡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/㎡,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濕介質的選擇具有高度可設計性,后期可通過設計進一步提高其空氣制水性能
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
  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、博士后創新人才支持計劃、中國博士后科學基金及王寬誠國際交叉團隊的資助。
  原文地址:https://doi.org/10.1002/anie.202007885

注:本文章轉載自中國科學院寧波材料技術與工程研究所,不代表本網觀點立場。

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