淡水短缺問題威脅著人類社會(huì)的發(fā)展甚至關(guān)乎人類的生存，已日益成為世界各地所重視的難題。地球大氣中普遍存在著約50000 km3的稀有水蒸氣資源，而這類資源卻很少被開采，因此學(xué)者們開始關(guān)注并設(shè)想從空氣中收集水以生產(chǎn)純凈水。近年來，結(jié)合空氣吸收水分和太陽能加熱釋放的技術(shù)正在興起，已逐漸成為生產(chǎn)淡水的有效解決方案之一。
其中，液體吸附劑可以通過滲透作用使?jié)饪s水中的水迅速擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)高吸附能力。
然而，液體吸附系統(tǒng)仍然存在一些問題，例如吸附劑泄漏、便攜性差、吸附-解吸過程的結(jié)構(gòu)不完整等等。因此，非常需要一種低能耗、獨(dú)立、高吸收和集成的吸濕光熱材料系統(tǒng)。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤、肖鵬副研究員等發(fā)現(xiàn)鐵蘭上具有吸濕性的葉片可吸收空氣中的水分，并通過滲透壓將水分子從葉片表面?zhèn)鬏數(shù)絻?nèi)部網(wǎng)絡(luò)，有望滿足可持續(xù)發(fā)展的需求。
受到鐵蘭的啟發(fā)，作者報(bào)道了一種仿生吸濕光熱有機(jī)凝膠（POG），以實(shí)現(xiàn)太陽能驅(qū)動(dòng)的大氣水收集。該精心設(shè)計(jì)的親水性共聚物骨架可以容納吸濕性甘油介質(zhì)，從而使POG具有獨(dú)立性、機(jī)械柔韌性和協(xié)同增濕作用。在90％的相對(duì)濕度下，該P(yáng)OG表現(xiàn)出16.01 kg/m2的超高平衡水分吸附，在實(shí)際的室外實(shí)驗(yàn)中日產(chǎn)量達(dá)到2.43 kg/m2。這種受生物啟發(fā)的集成吸濕材料系統(tǒng)可以提供一種新的途徑來實(shí)現(xiàn)連續(xù)和高容量的大氣水分吸收。該研究以題為“Tillandsia-inspired Hygroscopic Photothermal Organogels for Efficient Atmospheric Water Harvesting”的論文發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》上。
【仿生POG設(shè)計(jì)策略】
作為附生植物的代表，鐵蘭屬植物的吸濕性葉片能夠捕獲大氣中的水分。而聚集在該葉表面的水分可通過主動(dòng)滲透作用實(shí)現(xiàn)從最外組織到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的定向運(yùn)輸（圖1a）。
該完善的組織系統(tǒng)可以有效地吸收水分，并調(diào)節(jié)葉片的蒸騰作用。受鐵蘭的啟發(fā)，作者報(bào)道的吸濕材料源自聚甲基丙烯酸鈉/聚丙烯酰胺的親水性共聚網(wǎng)絡(luò)。
另外，通過聚吡咯-多巴胺（P-Py-DA）可以實(shí)現(xiàn)調(diào)控太陽能驅(qū)動(dòng)的界面水分釋放，從而模仿鐵蘭的葉面吸濕和蒸騰行為（圖1b）。而親水性共聚物網(wǎng)絡(luò)可以容納吸濕性甘油介質(zhì)，從而使POG具有獨(dú)立性、機(jī)械柔韌性和協(xié)同增濕作用。
此外，POG中的甘油可以吸收空氣中的水分，通過滲透壓將其傳輸?shù)絻?nèi)部，并以聚合物鏈膨脹的形式存儲(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)高容量的水分吸收（圖1c ）。這種POG可以應(yīng)用于大氣水分收集和太陽能驅(qū)動(dòng)的水蒸發(fā)來獲得淡水（圖1d）。
【太陽能驅(qū)動(dòng)的水分脫附】
盡管POG與水分子之間的強(qiáng)相互作用可以實(shí)現(xiàn)POG從空氣中有效地吸附水分，但同樣也會(huì)阻礙POG的水分脫附。如圖3a所示，POG可以產(chǎn)生大量的熱能，因?yàn)樗哂谐錾墓鉄徂D(zhuǎn)換性能并能將熱量集中在表面上，從而提供了足夠的能量來破壞水和POG之間的相互作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效的水脫附。
在日光照射下，由于甘油的比熱容較小，制備出的POG可以達(dá)到較高的溫度（圖3b）。結(jié)果表明，吸水后的樣品在太陽光照12小時(shí)后可能會(huì)發(fā)生大量的水脫附（圖3c）。
吸水后的POG水脫附率最初增加，然后降低，呈拋物線狀趨勢(shì)（圖3d）。其最大水脫附速率高達(dá)每小時(shí)1.77 kg/m2。對(duì)解吸后的POG結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部甘油在脫水過程中不會(huì)被擠出，這表明POG即使在經(jīng)歷明顯的體積收縮后仍具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
【戶外實(shí)驗(yàn)】
為了驗(yàn)證POG在自然環(huán)境中進(jìn)行太陽能驅(qū)動(dòng)的大氣水分收集的可行性，作者進(jìn)行了室外試驗(yàn)。圖4a顯示了POG在夜間從空氣中吸收水分的示意圖，POG的吸水量約為4.39 kg/m2（圖4b）。
在白天，作者將吸附水的POG放入自制的蒸發(fā)裝置中，以在自然陽光下收集淡水（圖4c）。在太陽光驅(qū)動(dòng)下，水蒸氣可以自然地冷凝在設(shè)備壁上（圖5f）。
戶外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于平均強(qiáng)度為0.90 kw/m2的太陽光照下，該研究可以實(shí)現(xiàn)每天2.43 kg/m2的淡水產(chǎn)量，優(yōu)于以往的基于液體吸附劑的相關(guān)工作。
此外，作者通過紅外光譜對(duì)蒸發(fā)后的氣體進(jìn)行了表征，以證明蒸發(fā)過程中沒有甘油分子泄露（圖5h）。
最后，作者分析了收集到的淡水中的離子濃度，結(jié)果表明四種主要離子（K +，Ca2 +，Na +，Mg2 +）的含量完全符合WHO和EPA的飲用水標(biāo)準(zhǔn)（圖5g）。
總結(jié)：作者開發(fā)了一種受鐵蘭啟發(fā)的仿生吸濕性POG，可有效地收集大氣水分。經(jīng)設(shè)計(jì)的親水性共聚物網(wǎng)絡(luò)可容納吸濕性甘油介質(zhì)，從而使POG能夠高度吸水。
親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)與POG吸濕性液體吸附劑的協(xié)同作用可提供滲透作用，使水快速擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)高效連續(xù)的水分吸附。集成的光熱P-Py-Da可以進(jìn)一步釋放吸收的水分子，從而在實(shí)際的室外實(shí)驗(yàn)中能夠產(chǎn)生每天2.43 kg/m2的純凈水。該研究為高效太陽能驅(qū)動(dòng)的大氣水分收集提供了一條新途徑。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202007885
