寧波材料所在鐵蘭啟發(fā)的有機(jī)凝膠進(jìn)行光熱空氣集水方面取得進(jìn)展
淡水資源短缺問題日益制約著社會的發(fā)展甚至威脅著人類的生存，已成為當(dāng)今社會亟需解決的難題之一。傳統(tǒng)的淡水制備通常需要大量的能源供應(yīng)及復(fù)雜龐大的設(shè)備要求，因此很難普及。近年來，作為一種簡單、有效的途徑，通過合理設(shè)計的光熱蒸發(fā)器利用綠色、可持續(xù)的太陽能來驅(qū)動豐富的海水資源轉(zhuǎn)變成淡水已成為研究的熱點(diǎn)。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員、肖鵬副研究員前期發(fā)展了一系列用于光熱淡水收集的高分子復(fù)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)。除了豐富的海水資源，地球大氣中也存在著巨大的水汽資源（約50000 km3），雖廣泛分布缺很少被利用。通過材料在空氣中吸濕，進(jìn)而在太陽能作用下實(shí)施光熱蒸發(fā)，以實(shí)現(xiàn)空氣集水的技術(shù)正在興起。
鐵蘭屬植物（Tillandsia Species）是一類典型的附生植物，其生存不依靠根莖從土壤中吸收水分，而通過其葉片直接從空氣中吸收水分即能很好存活。在葉片內(nèi)部滲透壓的作用下，被吸附的水分可實(shí)現(xiàn)從最外組織到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)定向運(yùn)輸，并最終儲存在葉片內(nèi)部完善的組織系統(tǒng)內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、快速的水分吸收（圖1）。
受此啟發(fā)，研究人員提出了一種吸濕型光熱有機(jī)凝膠（POG），以實(shí)現(xiàn)太陽能驅(qū)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(wǎng)絡(luò)可以將吸濕性的有機(jī)溶劑（甘油）容納其中。類似于鐵蘭植物，POG內(nèi)吸濕性的甘油介質(zhì)在滲透壓的作用下賦予其內(nèi)部快速的水?dāng)U散，并通過聚合物鏈溶脹的形式將水儲存在其內(nèi)部，最終實(shí)現(xiàn)POG連續(xù)、快速、高容量的吸濕性能。另外，通過實(shí)驗證明和理論分析，聚合物網(wǎng)絡(luò)上親水性的官能團(tuán)也能協(xié)同增強(qiáng)POG的吸濕行為。最終，在90％的相對濕度下，該P(yáng)OG在12小時內(nèi)展現(xiàn)出6.12 kg/m2的吸濕性能，并具有16.01 kg/m2的超高平衡水分吸附（圖2-3）。另外，互穿的光熱高分子網(wǎng)絡(luò)聚吡咯-多巴胺（P-Py-DA）賦予POG優(yōu)秀的光熱性能，可以實(shí)現(xiàn)可控的太陽能驅(qū)動的界面水分釋放，以獲取被吸附的水分（圖4a-b）。戶外實(shí)驗結(jié)果表明，該P(yáng)OG在實(shí)際的室外實(shí)驗中淡水日產(chǎn)量達(dá)到2.43 kg/m2，且收集到的淡水中的離子濃度的含量完全符合WHO和EPA的飲用水標(biāo)準(zhǔn)（圖4c-g）。本研究為太陽能光熱空氣集水提供了一種新的材料體系，且該有機(jī)凝膠的聚合物骨架和吸濕介質(zhì)的選擇具有高度可設(shè)計性，后期可通過更合理的設(shè)計進(jìn)一步的提高其空氣制水性能。
該工作以題為“Tillandsia-inspired Hygroscopic Photothermal Organogels for Efficient Atmospheric Water Harvesting”的論文發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.，2020，DOI: 10.1002/anie.202007885。本研究得到了國家自然科學(xué)基金（51803226）、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、博士后創(chuàng)新人才支持計劃（BX20180321）、中國博士后科學(xué)基金（2018M630695）及王寬誠國際交叉團(tuán)隊（K.C.Wong Education Foundation (GJTD-2019-13））等項目的資助。
圖1 POG仿生策略的設(shè)計
圖2 POG的吸濕性能表征
圖3 POG的吸濕機(jī)理探究
圖4 a-b) POG的光熱蒸發(fā)性能；c-g) 基于POG獲得純凈水的戶外實(shí)驗
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