宁波材料所陈涛团队《Angew》:受铁兰启发的仿生有机凝胶进行大气水分收集!

淡水短缺问题威胁着人类社会的发展甚至关乎人类的生存,已日益成为世界各地所重视的难题。地球大气中普遍存在着约50000 km3的稀有水蒸气资源,而这类资源却很少被开采,因此学者们开始关注并设想从空气中收集水以生产纯净水。近年来,结合空气吸收水分和太阳能加热释放的技术正在兴起,已逐渐成为生产淡水的有效解决方案之一。

其中,液体吸附剂可以通过渗透作用使浓缩水中的水迅速扩散,从而实现高吸附能力。

然而,液体吸附系统仍然存在一些问题,例如吸附剂泄漏、便携性差、吸附-解吸过程的结构不完整等等。因此,非常需要一种低能耗、独立、高吸收和集成的吸湿光热材料系统。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛、肖鹏副研究员等发现铁兰上具有吸湿性的叶片可吸收空气中的水分,并通过渗透压将水分子从叶片表面传输到内部网络,有望满足可持续发展的需求。

受到铁兰的启发,作者报道了一种仿生吸湿光热有机凝胶(POG),以实现太阳能驱动的大气水收集。该精心设计的亲水性共聚物骨架可以容纳吸湿性甘油介质,从而使POG具有独立性、机械柔韧性和协同增湿作用。在90%的相对湿度下,该POG表现出16.01 kg/m2的超高平衡水分吸附,在实际的室外实验中日产量达到2.43 kg/m2。这种受生物启发的集成吸湿材料系统可以提供一种新的途径来实现连续和高容量的大气水分吸收。该研究以题为“Tillandsia-inspired Hygroscopic Photothermal Organogels for Efficient Atmospheric Water Harvesting”的论文发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。

宁波材料所陈涛团队《Angew》:受铁兰启发的仿生有机凝胶进行大气水分收集!

【仿生POG设计策略】

作为附生植物的代表,铁兰属植物的吸湿性叶片能够捕获大气中的水分。而聚集在该叶表面的水分可通过主动渗透作用实现从最外组织到内部网络的定向运输(图1a)。

该完善的组织系统可以有效地吸收水分,并调节叶片的蒸腾作用。受铁兰的启发,作者报道的吸湿材料源自聚甲基丙烯酸钠/聚丙烯酰胺的亲水性共聚网络。

另外,通过聚吡咯-多巴胺(P-Py-DA)可以实现调控太阳能驱动的界面水分释放,从而模仿铁兰的叶面吸湿和蒸腾行为(图1b)。而亲水性共聚物网络可以容纳吸湿性甘油介质,从而使POG具有独立性、机械柔韧性和协同增湿作用。

此外,POG中的甘油可以吸收空气中的水分,通过渗透压将其传输到内部,并以聚合物链膨胀的形式存储,以实现高容量的水分吸收(图1c )。这种POG可以应用于大气水分收集和太阳能驱动的水蒸发来获得淡水(图1d)。

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图1 仿生策略的设计

 

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图2 材料的制备与表征

 

【太阳能驱动的水分脱附】

尽管POG与水分子之间的强相互作用可以实现POG从空气中有效地吸附水分,但同样也会阻碍POG的水分脱附。如图3a所示,POG可以产生大量的热能,因为它具有出色的光热转换性能并能将热量集中在表面上,从而提供了足够的能量来破坏水和POG之间的相互作用,进而实现有效的水脱附。

在日光照射下,由于甘油的比热容较小,制备出的POG可以达到较高的温度(图3b)。结果表明,吸水后的样品在太阳光照12小时后可能会发生大量的水脱附(图3c)。

吸水后的POG水脱附率最初增加,然后降低,呈抛物线状趋势(图3d)。其最大水脱附速率高达每小时1.77 kg/m2。对解吸后的POG结构进行表征,发现其内部甘油在脱水过程中不会被挤出,这表明POG即使在经历明显的体积收缩后仍具有稳定的结构。

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图3太阳能驱动的水分脱附

 

【户外实验】

为了验证POG在自然环境中进行太阳能驱动的大气水分收集的可行性,作者进行了室外试验。图4a显示了POG在夜间从空气中吸收水分的示意图,POG的吸水量约为4.39 kg/m2(图4b)。

在白天,作者将吸附水的POG放入自制的蒸发装置中,以在自然阳光下收集淡水(图4c)。在太阳光驱动下,水蒸气可以自然地冷凝在设备壁上(图5f)。

户外实验结果表明,基于平均强度为0.90 kw/m2的太阳光照下,该研究可以实现每天2.43 kg/m2的淡水产量,优于以往的基于液体吸附剂的相关工作。

此外,作者通过红外光谱对蒸发后的气体进行了表征,以证明蒸发过程中没有甘油分子泄露(图5h)。

最后,作者分析了收集到的淡水中的离子浓度,结果表明四种主要离子(K +,Ca2 +,Na +,Mg2 +)的含量完全符合WHO和EPA的饮用水标准(图5g)。

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图4 基于POG获得纯净水的户外实验

 

总结:作者开发了一种受铁兰启发的仿生吸湿性POG,可有效地收集大气水分。经设计的亲水性共聚物网络可容纳吸湿性甘油介质,从而使POG能够高度吸水。

亲水性聚合物网络与POG吸湿性液体吸附剂的协同作用可提供渗透作用,使水快速扩散,实现高效连续的水分吸附。集成的光热P-Py-Da可以进一步释放吸收的水分子,从而在实际的室外实验中能够产生每天2.43 kg/m2的纯净水。该研究为高效太阳能驱动的大气水分收集提供了一条新途径。

 

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202007885

 

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