德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華團隊Adv. Mater.：用于全天候空氣取水的超強吸濕凝膠

【引言】

大氣水收集（AWH）材料目前已經能夠在超高相對濕度（RH）條件下直接從空氣中收集液態水，如霧捕獲和露水收集等。由于空氣溫度會影響RH，因而這種方法需要定期降溫或者人工冷卻以升高RH達到過飽和。最近，有研究報告顯示，盡管新型AWH材料可在低RH水平（RH=20%）的條件下實現空氣取水，但此條件下空氣中可用水儲量較低，其水產量依然不高。鑒于季節性和氣候變化，干旱地區的RH通常在30-90%之間。這種適中的RH表明空氣中水量巨大，但能夠實現高效空氣取水的方法（或者材料）卻依然有待發掘，這對于基礎研究和實際應用都有至關重要的意義。在這種情況之下，基于表面水吸附的吸濕性材料，諸如分子篩、硅膠和聚合物干燥劑等，雖可在比較寬的RH范圍內用吸收空氣中的水分，但其與水分子間的強相互作用，顯著阻礙了水的釋放過程，因而仍難以滿足空氣取水技術的基本需求。

【成果簡介】

近日，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的余桂華教授（通訊作者）課題組開發了一種超強吸濕凝膠，其能夠從空氣中吸收相當于自身重量數十倍的水分，并在陽光照射下釋放出潔凈的液態水。該種凝膠是將吸濕性聚合物與親水性凝膠進行協同結合。這種超強吸濕凝膠能夠實現基于聚合物網絡的水分捕獲，而不是像其他AWH材料那樣是基于活性表面的蒸汽吸附，因而在寬濕度范圍內都展現出高效的大氣水收集效果。為了探索該種材料的潛在應用，還進一步通過可拓展的超強吸濕凝膠模型來進行了戶外實驗，真實模擬自然環境中的大氣水收集。該成果以題為" Super Moisture-Absorbent Gels for All-Weather Atmospheric Water Harvesting"發表在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1 基于超強吸濕凝膠的大氣水收集

(a) 大氣水收集過程的示意圖；

(b) 不同相對濕度水平條件下，24小時大氣水收集的水量。

圖2 超強吸濕凝膠的表征

(a) poly-NIPAM和PPy-Cl簇的的骨架、多孔結構以及互穿網絡的示意圖；

(b) 干燥的超強吸濕凝膠在不同放大倍數下的SEM圖像；

(c) 超強吸濕凝膠的動態力學分析，包括儲能模量（G'）和損耗模量（G“）；

(d) PPy-Cl和超強吸濕凝膠的XPS表征結果。

圖3 超強吸濕凝膠的水捕獲

(a) 相對濕度為30%、60%和90%時超強吸濕凝膠的水捕獲；

(b) 水分子對相關函數的分子動力學模擬；

(c) PPy-Cl在各種相對濕度條件下吸濕的實驗（黑點）和模擬（藍色劃線）數據；

(d) poly-NIPAM凝膠的液態水（紫色曲線）和水分（橙色曲線）吸收；

(e) 超強吸濕凝膠實現吸濕性的示意圖。

圖4 超強吸濕凝膠的水釋放

(a) 超強吸濕凝膠在高吸水量下的水釋放模式；

(b) 超強吸濕凝膠在低吸水量下的水釋放模式；

(c) 太陽能誘發的水釋放的快速模式和正常模式示意圖。

圖5 戶外陽光驅動的大氣水收集

(a) 基于超強吸濕凝膠的1) 捕水包及2) 水收集器示意圖；

(b) 在自然環境中捕獲水過程中超強吸濕凝膠袋的照片；

(c) 在太陽輻射下釋放水過程中超強吸濕凝膠袋的照片；

(d) 在清晨戶外代表性的水捕獲過程（藍色曲線）；

(e) 在中午戶外代表性的水釋放過程（藍色曲線）。

【小結】

本文中，作者發展了一種基于超強吸濕凝膠的并且能夠在不同相對濕度條件下工作的空氣取水體系，該體系是協同整合以下三個方面的：1.用于吸濕和液化的吸濕性PPy-Cl；2.用于儲水的聚NIPAM親水網絡；3.基于聚NIPAM的親水性轉換以實現快速水釋放。這些協同功能是通過功能聚合物材料的互穿網絡的有效水傳輸來得以實現的。除了大氣水收集之外，該種設計還可以用于高儲存容量的大氣水管理、可控相變以及通過聚合物網絡的可控水輸送等。

文獻鏈接：Super Moisture‐Absorbent Gels for All‐Weather Atmospheric Water Harvesting?(Adv. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adma.201806446)

【作者簡介】

余桂華，美國德克薩斯大學奧斯汀分校材料科學與工程系，機械系教授，英國皇家化學學會會士（FRSC）。余教授團隊的研究重點是有機和復合功能納米材料的合理設計和合成，對其化學和物理性質的深入解析，以及大規模制備和集成策略的開發，以使其在能源，環境和生命科學領域展現重要的技術應用。目前已在Science, Nature, Nature Nanotechnology, Nature Communications, PNAS, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Chem, Joule, Nano Letters, Energy & Environmental Sciences,等國際著名刊物上發表論文120余篇，論文引用逾20，000次，H因子66。其中多篇論文被期刊選為非常重要論文或熱點論文。其發表工作曾被多個國際媒體亮點報道，其中包括Nature News, Science News, ABC News, Fox News, Forbes, Discover, National Geographic, Science Daily, R&D Magazine, MIT Technology Review, Popular Science, Ars Technica, C&EN, Gizmag, IEEE Spectrum, MRS Bulletin等。

【團隊工作匯總】

近期，余教授在凝膠材料環境/能源應用領域發表了如下代表性論文：

1. F. Zhao, X. Zhou, Y. Liu, Y. Shi, Y. Dai, G. Yu, “Super Moisture-Absorbent Gels for All-Weather Atmospheric Water Harvesting”, Adv. Mater. 1806446 (2019).
2. F. Zhao, J. Bae, X. Zhou, Y. Guo, G. Yu, "Nanostructured Functional Hydrogels as an Emerging Platform for Advanced Energy Technologies", Adv. Mater. 30, 1801796 (2018).
3. F. Zhao, X. Zhou, Y. Shi, X. Qian, M. Alexandre, X. Zhao, S. Mendez, R. Yang, L. Qu, G. Yu, “Highly Efficient Solar Vapour Generation via Hierarchically Nanostructured Gels", Nature Nanotech. 13, 489 (2018).
4. X. Zhou, F. Zhao, Y. Guo, Y. Zhang, G. Yu, "A Hydrogel-based Antifouling Solar Evaporator for Highly Efficient Water Desalination", Energy Environ. Sci. 11,1985 (2018).
5. H. Shi, Z. Fang, X. Zhang, F. Li, Y. Tang, Y. Zhou, P. Wu, G. Yu, “Double-Network Nanostructured Hydrogel-Derived Ultrafine Sn–Fe Alloy in 3D Carbon Framework for Enhanced Lithium Storage", Nano Lett. 18, 3193 (2018).
6. P. Li, Z. Jin, L. Peng, F. Zhao, D. Xiao, Y. Jin, G. Yu, “Stretchable All-Gel-State Fiber-Shaped Supercapacitors Enabled by Graphene/Nanostructured Conductive Polymer Hydrogels", Adv. Mater. 30, 1800124 (2018).
7. L. Li, L. Pan, Z. Ma, K. Yan, W. Cheng, Y. Shi, G. Yu, “All Inkjet-Printed Amperometric Multiplexed Biosensors Based on Nanostructured Conductive Hydrogel Electrodes", Nano Lett. 18, 3322 (2018).
8. J. Bae, Y. Li, J. Zhang, X. Zhou, F. Zhao, Y. Shi, J. B. Goodenough, G. Yu, "A 3D Nanostructured Hydrogel-Framework-Derived High-Performance Composite Polymer Lithium-Ion Electrolyte", Angew. Chem. Int. Ed. 57, 2096 (2018).
9. P. Wu, A. Zhang, L. Peng, F. Zhao, Y. Tang, Y. Zhou, G. Yu, "Cyanogel-Enabled Homogeneous Sb–Ni–C Ternary Framework Electrodes for Enhanced Sodium Storage", ACS Nano, 12, 759 (2018).
10. F. Zhao, Y. Shi, L. Pan, G. Yu, "Multifunctional Nanostructured Conductive Polymer Gels: Synthesis, Properties & Applications", Acc. Chem. Res. 50, 1734 (2017).

本文由材料人生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

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