寧波材料所在大氣吸濕離子凝膠用于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的蒸發(fā)制冷方面取得進(jìn)展
隨著世界經(jīng)濟(jì)和人口的不斷增長，淡水和能源供給已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)最大的挑戰(zhàn)。如何通過可持續(xù)的方式來獲取水和能源也已成為一個(gè)迫切需要解決的全球性問題。由于全球水文循環(huán)，我們生活的大氣中蘊(yùn)藏著豐富的濕氣資源（約50000 km3），雖無處不在但很少被有效利用。因此，高效地從空氣中吸收濕氣，并將其用于淡水或能源收集將成為一種實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效方法。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子團(tuán)隊(duì)前期受到鐵蘭屬植物從空氣中吸濕行為的啟發(fā)，通過用親水性的聚甲基丙烯酸鈉/丙烯酰胺的高分子網(wǎng)絡(luò)來容納吸濕性的有機(jī)甘油溶劑，提出了一種仿生吸濕有機(jī)復(fù)合凝膠，可用于高效地從空氣吸濕集水（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59,19327），該工作也受到Nature的評(píng)述（Nature，2020，584,11）。
由于高的潛熱值（約2450 J g-1），水被認(rèn)為是一種理想的相變材料，其蒸發(fā)過程可被用于過熱表面的制冷降溫。因此，通過吸濕材料將空氣中的濕氣進(jìn)行富集，可有效地用于器件的蒸發(fā)制冷。最近，研究人員通過將具有吸濕性的離子液體1-乙基-3-甲基咪唑乙酸鹽（[EMIM][Ac]）分散在親水性的聚（丙烯酸-co-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸）（P(AA-co-AMPSA)）網(wǎng)絡(luò)中，制備得到了一種兼具強(qiáng)吸濕性和粘附性的離子凝膠（RIG），并將其用于熱電發(fā)電機(jī)（TEG）的蒸發(fā)制冷以提升其電力輸出（圖1a）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于商業(yè)化的金屬散熱器（AHS），吸濕后的RIG能夠幫助TEG器件實(shí)現(xiàn)更加明顯且持久的蒸發(fā)制冷效果，且其制冷效果可通過RIG在空氣中吸濕再生而恢復(fù)（圖1b-c）。另外，由于[EMIM][Ac]的引入，在多重超分子相互作用的作用下，RIG在吸濕前后都表現(xiàn)出對(duì)TEG表面可觀的粘附強(qiáng)度。因此，RIG在為TEG蒸發(fā)制冷過程中可以保持一個(gè)穩(wěn)定的制冷界面，克服了傳統(tǒng)水凝膠在制冷過程因過度水蒸發(fā)而產(chǎn)生的界面剝離現(xiàn)象。基于此，該RIG能夠?yàn)橐粋€(gè)裝載在一個(gè)動(dòng)態(tài)的過熱表面（加速度約為63.8 m s-2, 表面溫度約為103 ℃）的TEG進(jìn)行有效的蒸發(fā)制冷，以顯著提升其工作效率（圖2）。
該工作近期以題為“Atmospheric Hygroscopic Ionogels with Dynamically Stable Cooling Interfaces Enable a Durable Thermoelectric Performance Enhancement”為題發(fā)表在Adv. Mater., 2021, DOI:10.1002/adma.202103937。該工作得到了國家自然科學(xué)基金（51803226、52073295）、中德交流項(xiàng)目（M-0424）、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SLH036）、中國科學(xué)院國際合作局 (174433KYSB20170061)、王寬誠教育基金（GJTD-2019-13）等項(xiàng)目的支持。
圖1 a)吸濕凝膠RIG的構(gòu)建及其蒸發(fā)制冷的工作機(jī)制；b)不同制冷模式下TEG熱端冷端的溫度差；c) RIG用于TEG冷端的蒸發(fā)制冷，以提升其工作效率
圖2 RIG用于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的蒸發(fā)制冷
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