寧波材料所陳濤、肖鵬/馬普所倪鋒 Adv. Mater.: 纏結(jié)網(wǎng)狀大孔凝膠用于快速空氣取水
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Chem-MSE
化學(xué)化工、材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域最新科學(xué)前沿動態(tài),與相關(guān)機(jī)構(gòu)共同合作,發(fā)布實用科研成果,結(jié)合政策、資本、商業(yè)模式、市場和需求、價值評估等諸要素,構(gòu)建其科技產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新平臺,服務(wù)國家管理機(jī)構(gòu)、科研工作者、企業(yè)決策層。
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面對全球性淡水資源短缺的挑戰(zhàn),開發(fā)如何有效獲取淡水資源的方法至關(guān)重要。大氣中蘊(yùn)藏著豐富的淡水資源,其中一部分主要以濕氣的形式存在,并分布于地球的每一個角落。近年來,針對淡水短缺問題,有效開發(fā)并利用濕氣資源成為一種有意義的解決方案。吸附式空氣取水 (Sorption-based AWH, SAWH) 技術(shù)為此提供了實際的借鑒,其核心在于利用吸附劑自發(fā)地汲取周圍空氣中的濕氣分子,并通過合適的方式進(jìn)行脫附以實現(xiàn)淡水收集。在此過程中,吸附劑的性能往往決定了最終的淡水獲取量。吸濕性鹽-凝膠復(fù)合材料(Hygroscopic salt-hydrogel composites, HSHCs)是通過將吸濕性的無機(jī)鹽負(fù)載到具有溶脹性能的聚合物凝膠中而制得,兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)。它們能夠在快速吸附濕氣的同時,并將其以溶脹的形式儲存在聚合物網(wǎng)絡(luò)中而不發(fā)生泄漏,因此被認(rèn)為是一種理想的SAWH材料選擇。然而,HSHCs中致密的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其內(nèi)部傳質(zhì)速率緩慢,通常表現(xiàn)出較低的SAWH動力學(xué)(包括吸濕和脫濕動力學(xué)),因而往往呈現(xiàn)出有限的空氣取水性能。
研究表明HSHCs的SAWH過程主要受其凝膠內(nèi)蒸汽傳輸、表面吸附和液體擴(kuò)散的影響。因此,近年來研究者們致力于開發(fā)不同的策略,如降低材料尺寸或制造多孔凝膠體系,以增加與蒸汽的接觸面積、縮短凝膠內(nèi)部液體擴(kuò)散距離,以此來實現(xiàn)對于HSHCs的吸濕/脫濕動力學(xué)性能的提升。例如,將宏觀塊狀HSHCs轉(zhuǎn)化為更小維度的結(jié)構(gòu)材料,如微凝膠和纖維等,可顯著擴(kuò)大其吸附/脫附表面,進(jìn)而直接增強(qiáng)其動力學(xué)性能。此外,通過冷凍干燥方法將大分子聚合物(如海藻酸鈉、聚丙烯酸鈉、羥丙基纖維素等)制備成具有多孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠,也已被證明能有效提升其SAWH動力學(xué)。這些方法雖然能夠提升HSHCs的動力學(xué)性能,但通常會犧牲其溶脹特性,最終導(dǎo)致其SAWH性能不足。與前期主要關(guān)注凝膠結(jié)構(gòu)層面設(shè)計不同,目前很少有報道通過對其分子層面的凝膠網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化來促進(jìn)HSHCs動力學(xué)性能的研究。特別是對于目前HSHCs中常用的,具有低成本、穩(wěn)定的共價網(wǎng)絡(luò)、可擴(kuò)展的制造特性等特點(diǎn)的凝膠體系,如聚[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氫氧化銨(PDMAPS)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)等,亟需一種通用的策略來改善其吸濕/解吸動力學(xué)速率。
中國科學(xué)院寧波材料所智能高分子材料團(tuán)隊陳濤、肖鵬團(tuán)隊 長期從事吸濕聚合物凝膠的構(gòu)筑及其在大氣水收集方面的研究 (Angew. Chem. Inter. Ed. 2020, 59, 19237;Adv. Mater. 2021, 33, 202103937;Matter2022, 5, 2624;Adv. Fiber Mater. 2023, 5, 588等) 。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202314175
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