上海交大制冷所：“超级空气取水的二元亲水聚合盐新型水凝胶材料”被ACS Materials Letters选为封面论文发表

近日，制冷与低温工程研究所王如竹教授的能源-空气-水创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air，ITEWA）在美国化学会新刊ACS Materials Letters上发表了题目为“Super atmospheric water harvesting hydrogel with alginate chains modified with binary salts”的研究报道，首次提出了一种结合了二元亲水聚合盐（Bina）与功能化多壁碳纳米管（FCNT）的复合吸水水凝胶材料，具有吸附容量大、蒸发效率高、结构稳定、制备简单、成本低廉等显著优势，并通过实验证实了这种新型材料在应用于太阳能驱动空气取水设备时的优异性能。此篇文章第一作者是制冷所外籍博士Akram Entezari；制冷所另一位外籍在读博士Mojtaba Ejeian也参与了此项研究的工作和成果发表；通讯作者是王如竹教授。该文被选为当期的Supplement Cover.

图1 新型吸水水凝胶材料Bina/FCNT的吸附-解吸循环及空气取水原理示意图作为期刊封面。

空气中的含水量可以达到整个地球上所有湖泊总水量的10%，而空气取水（Atmospheric Water Harvesting，AWH）在缓解全球水资源短缺问题上具有巨大的应用前景。尤其是在干旱的内陆地区，基于吸附原理的太阳能空气取水在技术层面和经济层面都更具优势。但是，科学家们仍然在探索和寻找吸水容量更高、解吸温度更低、太阳能吸收更高效、规模化更容易和成本更低廉的吸水材料。

海藻酸钠（Sodium Alginate，SA）是一种含有β-D-甘露糖醛酸根（M块）和α-L-古罗糖醛酸根（G块）的线性共聚物，可以具有不同的G/M比例。如图2所示文章作者使用了更加亲水的锂（L）和钙（C）离子取代钠离子来填充G块和M块，制成了二元亲水聚合盐（Bina），并与FCNT相结合。图2分别示意了C/FCNT, L/FCNT, Bina/FCNT的制作过程。在此新型吸水材料Bina/FCNT中，未反应的盐可以在很宽的相对湿度（Relative Humidity，RH）范围内快速吸收空气中的水分，而其中的FCNT主要用来高效吸收阳光并将太阳能转换为热能用于解吸出水。除此之外，FCNT还能保持此材料多孔结构的均一性、完整性和稳定性。实验数据表明，每克此材料在70%RH条件下吸水量可以高达5.6g，而即使在更加干燥的20%RH条件下也能达到1.4g。

图2 使用更加亲水的锂和钙离子取代钠离子来填充G块和M块，制与FCNT相结合的C/FCNT, L/FCNT和二元Bina/FCNT三种水凝胶。

研究中也发现Bina/FCNT水凝胶吸水能力强，动态性能好，但是也容易液解。 为了避免液解，实际使用中可以缩短吸附时间。实验表明对于单层结构的材料其最佳的吸附时间应该控制在46分钟（40%RH）/ 32分钟(60%RH)/ 19 分钟（80%RH）, 多层材料相应吸附时间需要控制的更长些。这样的话这类材料吸附取水循环就可以做到一天多次。

       为了实际测试Bina/FCNT的取水性能，在此项研究中还专门设计制作了一个便携式被动太阳能蒸发器（图3），采用了双斜面的结构以取得更高的太阳能吸收效率。实验结果表明，Bina/FCNT的结构和性能在高达80℃的温度条件下依然保持稳定，并且当解吸温度设置为70℃时装置的单位产水能耗较低（13.3kJ/ml）。使用5g的Bina/FCNT在夜间无空气对流的环境温度下吸水，然后在无辅助冷凝冷却的条件下维持80℃解吸7小时，最终可以收集到约6g水，并且在10次吸附-解吸循环后并未发现性能退化。另外，在对水质的检测中发现，尽管离子浓度与解吸温度直接相关，但是检测到的取水水质始终符合饮用水需求。因此，这项研究证明了所研发的新型Bina/FCNT吸附剂在基于吸附的可移动分布式淡水生产技术领域的应用前景十分广阔。

   

图3 用于实验测试的太阳能空气取水装置

该研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体项目（51521004）的资助。王如竹教授领衔的ITEWA团队近2年来已经陆续在Joule、Advance Materials、Energy & Environmental Science、Angwandt Chemie、Energy Storage Materials等高水平期刊上发表了10篇论文。该团队致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统多个层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。

附：ACS Materials Letters期刊简介 

ACS Materials Letters是美国化学会旗下的材料领域顶级新刊，主要报道材料学科和其他领域交叉学科（化学、工程、生物等）的基础性和应用性的研究成果。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.9b00315