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UT Austin余桂华团队Adv. Mater.:全天候空气集水的超强吸湿凝胶

江河、湖泊以及浅层地下水作为优质的淡水水源,长期为人类提供易于获取的饮用水资源。然而,其自身的地理环境局限性和日益严重的水污染问题时刻威胁着干旱地区人们的用水安全。因此,探索和开发新的潜在淡水资源引起了人们的广泛关注。有研究表明,空气中蕴含着大量的水分。这些水分在湿度超过一定阈值时(相对湿度达到100%)可自发的凝结成液态水。然而,自然会环境中,尤其是在缺水地区,空气的相对湿度会随温度在30%-90% 之间浮动。传统的空气取水技术多依赖于水汽采集器的冷却。由于这种制冷过程能耗过大,针对中等湿度空气取水技术尚存诸多挑战。


为了实现更环保、高效的空气取水,美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授(点击查看介绍)(通讯作者)课题组开发了一种新型超强吸湿凝胶。他们利用复合凝胶中的分子互穿机制,将吸湿高分子和温度响应性亲水高分子相结合,实现了空气取水、原位储水及响应释水三位一体的独特功能。不同于传统的表面吸附性空气取水材料,该凝胶材料可利用吸湿高分子网络吸收水分并将其液化。液化后的水分可部分转移至亲水分子网络。而亲水分子网络的温度响应特性使所含的液态水在温度超过特定值时被快速排出,从而实现可收集的纯净淡水。为了探索该种新型凝胶的使用价值,研究团队还进一步通过基于超强吸湿凝胶的空气取水器考察了户外水收集性能,以模拟自然环境中的空气取水过程。

图1. 超强吸湿凝胶在潮湿空气中的吸水释水循环


经测试,这种超强吸湿凝胶在不同湿度氛围下可捕捉空气中游离的水分子,并在阳光照射的加热效应下,将捕获的水分释放出来。如图1所示,当一个标准的吸-释水循环被设定为1小时,其中50分钟用于吸水,10分钟用于释放水,1千克该材料可以在相对湿度为60%的环境中24小时内产出近20升淡水。而当环境湿度上升至90%时,产率可达50余升。上述结果充分证实在该凝胶材料具有相当强大的空气取水能力。在此基础上,研究团队还凝胶材料制成吸水包,并组装了空气吸水和光照释水的简易装置(如图2)。在无任何外加能源的实地测试中,这种装置仍然展现出良好的吸水、释水性能,一定程度上揭示了这种新型凝胶材料的实用前景。该研究结果为正对空气取水的凝胶基复合材料设计提供了新的思路,并且为超亲水高分子材料在环境调控领域的应用开创了新的方向。

图2. 超强吸水凝胶户外空气取水性能


这一研究成果近期发表在Advanced Materials 上,文章的共同第一作者是美国德克萨斯大学奥斯汀分校的赵飞博士和博士生周星怡


该论文作者为:Fei Zhao, Xingyi Zhou, Yi Liu, Ye Shi, Yafei Dai, Guihua Yu

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Super Moisture-Absorbent Gels for All‐Weather Atmospheric Water Harvesting

Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201806446


导师介绍

余桂华

https://www.x-mol.com/university/faculty/37838


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