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宁波材料所在有机凝胶进行光热空气集水研究中取得进展

2020-08-12 宁波材料技术与工程研究所
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  淡水资源短缺问题日益严峻,传统淡水制备因能源供应需求量大、设备庞大复杂等问题难以普及。近年来,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成为研究热点。中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员陈涛、副研究员肖鹏前期发展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)。除了海水资源,地球大气中也存在着水汽资源(约50000km3)。通过材料在空气中吸湿,在太阳能作用下实施光热蒸发,进而实现空气集水的技术正在兴起。

  铁兰属植物(Tillandsia Species)是一类附生植物,其生存不依靠根茎从土壤中吸收水分,叶片直接从空气中吸收水分即能存活。在叶片内部渗透压的作用下,被吸附的水分可从最外组织到内部网络定向运输,最终储存在叶片内部组织系统内,实现连续、快速的水分吸收(图1)。

  受此启发,研究人员提出一种吸湿型光热有机凝胶(POG)来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,通过聚合物链溶胀的形式将水储存在其内部,实现POG连续、快速、高容量的吸湿性能。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。在90%的相对湿度下,该POG在12小时内最终展现出6.12kg/m2的吸湿性能和16.01kg/m2的超高平衡水分吸附(图2-3)。此外,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2.43kg/m2,收集到的淡水中的离子浓度的含量符合WHO和EPA的饮用水标准(图4c-g)。该研究为太阳能光热空气集水提供一种新的材料体系,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,后期可通过设计进一步提高其空气制水性能。

  相关研究成果以Tillandsia-inspired Hygroscopic Photothermal Organogels for Efficient Atmospheric Water Harvesting为题,发表在Angew. Chem. Int. Ed.(DOI:10.1002/anie.202007885)上。该研究得到国家自然科学基金、中科院前沿科学重点研究项目、博士后创新人才支持计划、中国博士后科学基金及王宽诚国际交叉团队的资助。

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

打印 责任编辑:侯茜

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