吸附式空氣取水技術(shù)（SAWH）為全球淡水短缺難題提供了一種有前途的解決方案。其中肩負(fù)著吞吐水作用的吸附劑，是優(yōu)化系統(tǒng)取水性能的關(guān)鍵之一。然而，大多數(shù)研究集中在如何提高吸附劑的吸附能力，而忽視了“吸附劑-水”間的相互作用，導(dǎo)致吸附劑存在脫附速率低或再生溫度高的問(wèn)題，致使SAWH系統(tǒng)受到解吸高能耗、效率低的嚴(yán)重限制。由此，迫切需要開(kāi)發(fā)出吸附能力強(qiáng)且解吸性能優(yōu)的新型吸附劑。
上海理工大學(xué)王佳韻副教授和上海交通大學(xué)王如竹教授合作，利用可持續(xù)生物質(zhì)材料開(kāi)發(fā)出了一種新型多孔“水海綿”基質(zhì)（CPPY）。水海綿結(jié)合了水凝膠的高溶脹性、保水性以及海綿出色的水?dāng)U散能力，具備獨(dú)特的水合行為。利用CPPY及吸濕鹽LiCl制備出高效水海綿復(fù)合吸附劑CPPY@LiCl，在20%-90% 的相對(duì)濕度下，其吸水能力可達(dá)1.36-5.93 g/g。通過(guò)優(yōu)化“材料-水”的相互作用，使吸附劑內(nèi)部產(chǎn)生大量 “中間水”，由于這些中間水的氫鍵結(jié)合強(qiáng)度較弱，可大大降低解吸時(shí)的蒸發(fā)能耗。實(shí)驗(yàn)表明，CPPY@LiCl在低至50℃的解吸溫度下，仍可在1小時(shí)內(nèi)釋放60%的吸附水（可從3.7 g/g解吸至1.5 g/g），表現(xiàn)出高效的解吸性能。在室外取水實(shí)驗(yàn)中，使用CPPY@LiCl的SAWH系統(tǒng)表現(xiàn)出 6.29 L/m2/day的出色集水性能。該研究對(duì)吸附劑內(nèi)的水合行為進(jìn)行了深入研究，在取得高取水量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效解吸，為實(shí)現(xiàn)高效的太陽(yáng)能空氣取水技術(shù)提供了新的見(jiàn)解。相關(guān)論文“Biomass-Derived Hydro-Sponge for Ultra-Efficient Atmospheric Water Harvesting”發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，第一作者為上海理工大學(xué)碩士研究生林博文，通訊作者為上海理工大學(xué)王佳韻副教授與上海交通大學(xué)王如竹教授。
【水海綿復(fù)合吸附劑的制備與表征】
圖1. CPPY和CPPY@LiCl的制備與表征。
研究團(tuán)隊(duì)利用生物質(zhì)羧甲基殼聚糖(CMCS)、聚谷氨酸(PGA)以及聚乙烯吡咯烷酮(PVP)構(gòu)建具有三重交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的多孔水海綿基質(zhì)(CPPY)，同時(shí)加入光熱轉(zhuǎn)換材料聚吡咯(PPY)賦予材料光熱轉(zhuǎn)換能力，同時(shí)在制備過(guò)程中協(xié)同物理及化學(xué)發(fā)泡方式塑造了多孔通道。制備的CPPY多孔材料可達(dá)70%的孔隙率，通過(guò)表面及界面SEM圖像證明其具有開(kāi)放互聯(lián)的多孔骨架，通過(guò)將吸濕鹽LiCl負(fù)載至CPPY基質(zhì)中以制備高效水海綿復(fù)合吸附劑CPPY@LiCl。
【吸水材料的水合行為研究】
吸濕材料根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸及水分子的結(jié)合強(qiáng)度可分為水凝膠、水海綿和海綿三類。當(dāng)水分子與親水鏈相互作用時(shí)，根據(jù)不同的結(jié)合強(qiáng)度可產(chǎn)生結(jié)合水、中間水和自由水。水凝膠具備較強(qiáng)的保水特性，通過(guò)強(qiáng)氫鍵作用儲(chǔ)存水分子，大部分為結(jié)合水；海綿則主要通過(guò)范德華力和毛細(xì)作用儲(chǔ)存水，大部分為自由水，且易在外力作用下釋放內(nèi)部的水。而水海綿介于兩者之間，其獨(dú)特的親水聚合物網(wǎng)絡(luò)可產(chǎn)生大量中間水和自由水。由于中間水的氫鍵結(jié)合強(qiáng)度最弱，處于活化狀態(tài)，可大大降低水分子的蒸發(fā)能耗。實(shí)驗(yàn)表明，CPPY@LiCl的蒸發(fā)焓（1570 J/g）相較于純水蒸發(fā)焓（2450 J/g）降低了40%。"弱鍵合-易釋放"的水分子調(diào)控機(jī)制，為設(shè)計(jì)低能耗吸附劑提供了全新思路。
圖2. 吸濕材料分類示意圖。a) 水凝膠、水海綿和海綿中結(jié)合水、中間水和自由水狀態(tài)下水分子的分布情況。b) 水凝膠、水海綿和海綿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸和界面面積。
【水海綿的水管理行為研究】
水海綿CPPY展現(xiàn)出有趣的水管理行為，其獨(dú)特的聚合物網(wǎng)絡(luò)和開(kāi)放多孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了水分的高效捕獲、儲(chǔ)存與可控釋放。通過(guò)物理化學(xué)協(xié)同發(fā)泡構(gòu)建的互連多孔通道（孔隙率70%，孔徑20-50μm）為水分快速輸運(yùn)提供了路徑，使材料能在10秒內(nèi)完成溶脹并吸收40倍自重的水分。當(dāng)受到外力擠壓時(shí)，彈性聚合物骨架發(fā)生可逆形變實(shí)現(xiàn)水分釋放；移除外力后，由于骨架彈性形變和材料的親水性，可快速將釋放到周邊的水回收存儲(chǔ)。通過(guò)拉曼光譜分析證實(shí)了水海綿及吸附劑中存在大量的中間水，這種特殊的水合狀態(tài)為蒸發(fā)過(guò)程中的快速水分釋放提供了關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。
圖3. 水海綿的水管理行為研究。
【水海綿復(fù)合吸附劑的吸附-脫附特性】
CPPY@LiCl具有吸附量高、吸附-脫附速率快、穩(wěn)定性及耐候性好、再生溫度低等優(yōu)點(diǎn)。CPPY@LiCl展現(xiàn)出卓越的氣候適應(yīng)能力：在20%-90% 的相對(duì)濕度下，其吸水能力可達(dá)1.36-5.93 g/g，并且可實(shí)現(xiàn)快速的吸附。對(duì)于SAWH的實(shí)際應(yīng)用而言，吸附劑解吸性能也至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)表明CPPY@LiCl在不同溫度、不同濕度、不同太陽(yáng)輻照強(qiáng)度下均具備高效的解吸能力，值得注意的是，在50℃低解吸溫度下，吸附劑在1小時(shí)內(nèi)仍可釋放60%吸附水（可從3.7g/g解吸至1.5 g/g），這歸功于中間水主導(dǎo)的低蒸發(fā)焓特性。此外，CPPY@LiCl具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和耐候性，經(jīng)過(guò)多次吸附-解吸循環(huán)后仍保持穩(wěn)定的吸脫附量及動(dòng)力學(xué)，在UV加速老化后的吸脫附性能仍然良好；對(duì)比現(xiàn)有材料，CPPY@LiCl具備高吸附容量同時(shí)具有快速解吸特性，展現(xiàn)出優(yōu)異的實(shí)際應(yīng)用潛力。
圖4. CPPY@LiCl的吸附-解吸性能。
【戶外的取水性能測(cè)試】
為了驗(yàn)證CPPY@LiCl的實(shí)際取水效果，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于攜帶的小型吸附式空氣取水裝置，在上海理工大學(xué)校園進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。采用"夜間吸附-日間分批解吸"策略，通過(guò)一天內(nèi)四次批量化解吸循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了6.29 L/m2/day的產(chǎn)水性能，且收集到的淡水滿足WHO飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
圖5. CPPY@LiCl戶外取水實(shí)驗(yàn)。
【文章小結(jié)】
該研究開(kāi)發(fā)了新型生物質(zhì)水海綿吸附劑CPPY@LiCl，展現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)能力，在20%-90%相對(duì)濕度范圍內(nèi)具有1.36-5.93 g/g的超高吸水性能。研究發(fā)現(xiàn)，多孔親水聚合物骨架的水合作用產(chǎn)生大量弱結(jié)合的中間水分子，顯著降低了水遷移所需能量，使其在50℃的低溫條件下即可實(shí)現(xiàn)快速解吸。在戶外實(shí)際測(cè)試中，應(yīng)用CPPY@LiCl的SAWH系統(tǒng)展現(xiàn)出6.29 L/m2/day的突出集水性能。該研究對(duì)吸附劑內(nèi)的水合行為進(jìn)行了深入研究，使其兼具高取水量、高效解吸性能，為開(kāi)發(fā)高效、低能耗的空氣取水技術(shù)提供了新的視角和路徑。
作者介紹：
第一作者–林博文：上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院碩士研究生，師從王佳韻副教授。主要從事吸附式空氣取水的材料制備，裝置熱濕傳遞以及界面蒸發(fā)等方面的研究。
通訊作者–王佳韻：上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院副教授，博導(dǎo)，曾作為上海交大王如竹教授帶領(lǐng)的ITEWA團(tuán)隊(duì)成員之一，長(zhǎng)期從事空氣取水、新型能源材料開(kāi)發(fā)應(yīng)用、熱力學(xué)系統(tǒng)熱濕傳遞等方面的研究。主持國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目、青年基金項(xiàng)目。以第一/通訊作者身份發(fā)表Energy & Environmental Science，Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Nano energy, Device, Cell Reports Physical Science等30余篇高水平論文。入選中國(guó)科協(xié)“青年人才托舉工程”、上海市啟明星揚(yáng)帆人才計(jì)劃、晨光學(xué)者等，擔(dān)任Elsevier能源類旗艦刊物Energy助理編輯，國(guó)際制冷學(xué)會(huì)青年理事，上海制冷學(xué)會(huì)青年理事，中國(guó)制冷學(xué)會(huì)會(huì)刊《制冷學(xué)報(bào)》青年編委。
通訊作者–王如竹：上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院講席教授，全球高被引學(xué)者、國(guó)家基金委創(chuàng)新群體負(fù)責(zé)人、國(guó)家基金委重大項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、國(guó)家杰青。主持完成的科研成果榮獲2014國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、2010國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、2023國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、2009國(guó)家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)、2022何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)；因在國(guó)際相關(guān)領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，榮獲2023年全球能源獎(jiǎng)（Global Energy Prize）、2019國(guó)際制冷學(xué)會(huì)最高學(xué)術(shù)獎(jiǎng)Gustav Lorentzen獎(jiǎng)?wù)隆?013英國(guó)制冷學(xué)會(huì)J&E Hall金牌、2018日本傳熱學(xué)會(huì)Nukiyama熱科學(xué)紀(jì)念獎(jiǎng)、2021國(guó)際能源署Rittinger國(guó)際熱泵獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。
來(lái)源：高分子科學(xué)前沿
聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請(qǐng)?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>
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