寧波材料所在Matter上發(fā)表綜述：吸濕性聚合物凝膠——向大氣“索取”淡水和能源
全球人口爆炸式的增長使得人們對于淡水和能源產(chǎn)生了巨大的需求。盡管近年來在發(fā)展水-能獲取的新技術(shù)方面取得了長足進(jìn)步，但實(shí)現(xiàn)淡水和能源的可持續(xù)供給仍然存在重大挑戰(zhàn)。這要求我們必須繼續(xù)探索新的資源或技術(shù)，以豐富現(xiàn)有淡水和能源的來源和生產(chǎn)方式。由于全球水文循環(huán)，大氣中蘊(yùn)藏著約12900km3的濕氣資源可以被用于制備淡水或進(jìn)行能量管理，但卻常常被忽視。因此，合理利用這一巨大的濕氣資源，可為目前全球淡水和能源危機(jī)的緩解提供一種新的替代方案。大氣濕氣開發(fā)（atmospheric moisture exploiting，AME）技術(shù)可自發(fā)汲取空氣中的濕氣，進(jìn)而通過水的利用實(shí)現(xiàn)淡水制備及能量管理等應(yīng)用，因此被認(rèn)為是一種具有前景的實(shí)現(xiàn)淡水和能源可持續(xù)的解決策略。在這方面，設(shè)計并開發(fā)新型功能性吸濕材料是實(shí)現(xiàn)AME技術(shù)迭代的關(guān)鍵核心之一。由于其高度可調(diào)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)和溶脹特性，以及易與功能材料有效集成等特點(diǎn)，以三維交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)為特征的吸濕性聚合物凝膠（hygroscopic polymeric gels，HPGs）已逐漸成為一種理想的AME平臺材料，可將大氣中的濕氣資源有效地轉(zhuǎn)換為淡水和能源資源，展示出巨大的應(yīng)用前景和研究價值。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)陳濤研究員、肖鵬副研究員基于HPGs在吸濕聚合物凝膠開發(fā)及其在大氣濕氣資源開發(fā)方面的研究進(jìn)展，在Matter上發(fā)表題為“Hygroscopic polymer gels toward atmospheric moisture exploitations for energy management and freshwater generation”的綜述文章（Matter 2022 5, 2624-2658，https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.010），系統(tǒng)回顧了HPGs的吸濕機(jī)制、構(gòu)建策略以及其在水-能應(yīng)用方面的系列進(jìn)展，并概述了目前階段所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
在該綜述中，作者首先闡釋了HPGs的吸濕機(jī)制，包括濕氣吸附和濕氣貯存，并系統(tǒng)總結(jié)了其物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的一般設(shè)計原則。根據(jù)其凝膠材料結(jié)構(gòu)和組成可將HPGs分為本征型HPGs和混合型HPGs。對于前者，無需引入額外的吸濕組份，僅通過調(diào)節(jié)單體或聚合物鏈的親水性，就能使聚合物凝膠網(wǎng)絡(luò)具有顯著的吸濕性能。更重要的是，通過在這些親水性凝膠網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步改善其吸濕動力學(xué)。另外，通過各種摻雜策略，包括浸泡-干燥、離子交換、互穿網(wǎng)絡(luò)、原位共聚和溶劑置換等，將現(xiàn)有吸濕組份（固體干燥劑和液體吸濕劑）與凝膠網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行復(fù)合可得到混合型HPGs，最終表現(xiàn)出協(xié)同增強(qiáng)的吸濕性能。在列舉這些構(gòu)筑策略的實(shí)例的同時，本綜述還相應(yīng)總結(jié)了其構(gòu)-效關(guān)系。作者系統(tǒng)回顧了近年來HPGs在濕氣裂解、吸濕-蒸發(fā)制冷、濕致發(fā)電、濕致變色、空氣取水及濕氣灌溉等水-能應(yīng)用方面的最新進(jìn)展。
盡管HPGs在近年來發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，但現(xiàn)階段仍存在一些問題和挑戰(zhàn)。例如，未來需要進(jìn)一步提升其吸濕性能，尤其是在低濕度環(huán)境條件下，以期望在淡水和能源生產(chǎn)中發(fā)揮更大的輸出性能以滿足實(shí)際使用需求。同時，還需進(jìn)一步提升HPGs的再生效率，通過對材料和器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)對其所吸收濕氣的完全消耗，以再生其最大的吸濕能力。另外，在濕氣利用過程中，未來其物理結(jié)構(gòu)（內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)坍塌）和化學(xué)結(jié)構(gòu)（氣體雜質(zhì)吸附）的穩(wěn)定性也需要被進(jìn)一步關(guān)注，以避免在其循環(huán)使用中出現(xiàn)性能的不可逆衰退。最后，HPGs的成本和宏量化生產(chǎn)是其進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用市場之前需要被考慮的兩個方面，因此未來需要開發(fā)更低成本的材料體系以及更大規(guī)?；纳a(chǎn)技術(shù)來提升其市場競爭力。
該論文得到了國家自然科學(xué)基金（52073295）、寧波市科技局（2021Z127）、國家自然科學(xué)基金委中德交流項(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。
HPGs的構(gòu)建策略及其AME應(yīng)用：向大氣“索取”淡水和能源
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