Advanced Materials | 用于可持续空气捕水和发电的超级吸湿海绵

文摘 2025-01-30 08:56 山西

概述

当前，全球超三分之一人口面临水资源短缺问题，干旱地区尤为严重，这些地区占地球陆地面积的 41%，却缺乏河流、湖泊等传统水源。大气中虽蕴含约 1.3 千万亿升水汽，是可持续水源，但开发利用困难重重。吸附式大气集水（SAWH）被视为解决缺水问题的有效途径，其性能主要取决于吸附剂的吸水能力。传统的基于盐的复合材料虽广泛用于 SAWH，但存在制备复杂、易盐泄漏以及集水过程中产生的大量热量被忽视和浪费等问题。

近日，一项发表于《Advanced Materials》的研究为解决全球水资源短缺和电力匮乏问题带来新希望。该论文题为 “Super Moisture-Sorbent Sponge for Sustainable Atmospheric Water Harvesting and Power Generation，DOI: 10.1002/adma.202414285”，由 Hanyu Guo、Qingliang Luo、Dong Liu 等学者共同完成，研究团队来自东华大学纺织学院、江苏大学农业工程学院以及美国田纳西大学等机构。

为解决上述难题，研究团队开发出一种集成策略，通过氯化锂（LiCl）与多巴胺（DA）的螯合作用，以及 DA 在三聚氰胺海绵（PMS）上的同步聚合，制备出稳定的盐基超级吸湿海绵 LiCl/PMS/CNTs。与常用的浸渍法不同，该合成方法能使 LiCl 颗粒均匀稳定地固定在海绵上，避免盐团聚，提升吸水性能。同时，添加碳纳米管（CNTs）增强了太阳能 - 热转换效率，形成的三维互连多孔结构有助于水汽吸收和传输。

实验结果显示，LiCl/PMS/CNTs 表现卓越。在 15% 和 30% 相对湿度下，其吸水率分别达 1.26 和 1.81g/g ，在干旱环境（30% 相对湿度）中每日产水量高达 3.47kg/kg 。此外，研究人员将 LiCl/PMS/CNTs 与热电模块结合，构建了双功能系统，充分利用 SAWH 过程中产生的热量，实现淡水和电力的同时生产。在吸水和脱附过程中，该系统的最大输出功率密度分别可达 35.4 和 454.4mW/m² 。

此项研究成果为便携式、低成本、高生产率的太阳能驱动 SAWH 系统发展开辟了新道路，有望实现随时随地可持续的淡水生产和发电，为缓解偏远地区水电短缺提供了创新解决方案。

图文导读

图 1. LiCl/PMS/CNTs 的合成与表征。a) LiCl/PMS/CNTs 的合成示意图。b - d) LiCl/PMS/CNTs 的扫描电子显微镜图像。e) MS、PDA、PMS 和 LiCl/PMS/CNTs 的傅里叶变换红外光谱。f) LiCl/PMS/CNTs 的高分辨率 N1s X 射线光电子能谱。g) LiCl/PMS/CNTs 的高分辨率 O1s X 射线光电子能谱。

图2. LiCl/PMS/CNT 的吸水性能。a) 不同 LiCl 负载量的 LiCl/PMS/CNTs 在 25℃、85% 相对湿度下的吸水率。b) LiCl/PMS/CNTs 和 LiCl/MS 在 25℃、30% 相对湿度下的吸水率。材料厚度：2mm。c) 使用动态蒸汽吸附仪（DVS）在 25℃不同相对湿度下 LiCl/PMS/CNTs 的动态吸水性能。d) LiCl/PMS/CNTs 的导数吸水率变化。插图：130 - 230 分钟时间间隔内的吸收速率。e) 在 15% 和 30% 相对湿度下与现有吸附剂的吸水速率比较。f) 不同温度下 LiCl/PMS/CNTs 的吸水等温线。g) 本研究与先前报道材料的吸水能力比较。h) LiCl/PMS/CNTs 的循环性能。在 25℃、30% 相对湿度下进行吸附，在 70℃烘箱中进行解吸。i) LiCl/PMS/CNTs 中水滴（白色圆圈）生长、聚结和迁移的光学显微镜图像。比例尺：300μm。

图3. LiCl/PMS/CNTs 的太阳能驱动水脱附性能。a) MS、PMS、LiCl/PMS 和 LiCl/PMS/CNTs 的紫外 - 可见 - 近红外光谱。b) 初始吸水率为 4.5g/g 的 LiCl/PMS/CNTs 在 0.6 sun、0.8 sun 和 1.0 sun 光照下的表面温度变化。c) 不同光照强度下 LiCl/PMS/CNTs 的红外图像。d) 不同光照强度下 LiCl/PMS/CNTs 的水释放测量。e) 太阳能驱动水释放过程中 LiCl/PMS/CNTs 的导数重量变化。f) 太阳能驱动蒸汽蒸发过程中 LiCl/PMS/CNTs 内液态水传输模型。

图4. LiCl/PMS/CNTs 的大气集水性能。a) 在模拟干旱条件（30℃，30% 相对湿度）下 24 小时内进行 5 次集水循环。整个过程设计如下：12 小时吸附和 3 小时解吸的长循环，3 次（1 小时吸附和 1 小时解吸）循环，以及 1 次（1 小时吸附和 2 小时解吸）循环。所有解吸过程均在 1.0 sun 光照下进行。浅蓝色阴影区域和非阴影区域分别代表吸附和解吸过程。b) 2023 年 8 月 2 日在中国上海环境相对湿度下，该装置一天的累计产水量和每个循环测量收集的水量。c) 本装置与其他研究的产水速率比较。d) 收集水样的测量离子浓度、总有机碳（TOC）和总氮（TN）。

图5. 同时进行大气水生产和发电。a) LiCl/PMS/CNTs 暴露在环境中不同时间后的红外照片。b) 结合 LiCl/PMS/CNTs、热电模块和温度控制器的双功能装置示意图。c) 在约 20℃、60% 相对湿度下吸湿过程中，吸附剂表面的电、质量和温度变化。d) 在 1.0 sun 光照下水释放过程中，吸附剂表面的电、质量和温度变化。e) I - V 曲线和相应的输出功率密度。f) 3 个循环（30 分钟吸水和 30 分钟放水）的输出电压和温度变化。

机制阐述

合成及稳定机制：利用多巴胺（DA）的 - OH 和 - NH 基团与 LiCl 的螯合作用，在三聚氰胺海绵（MS）表面原位聚合多巴胺形成聚多巴胺（PDA）。此过程中，LiCl 均匀稳定地固定在 MS 上，避免了盐的团聚。碳纳米管（CNTs）通过范德华力附着在 MS 表面，最终形成具有 3D 互连多孔结构的 LiCl/PMS/CNTs 复合海绵。该结构为水汽吸收提供了丰富的位点，且海绵在干燥和吸水后分别呈现不同的机械特性，吸水后柔韧性可恢复。

吸水机制：LiCl 作为主要吸湿成分，其含量影响复合吸附剂的吸湿性能。实验表明，10 wt% LiCl 制备的 LiCl/PMS/CNTs 样品具有最佳吸水性能，LiCl 均匀分布在基质上，通过螯合作用增强了与水的相互作用。在不同相对湿度（RH）下，该复合海绵能快速吸收水分，在 15%、30% 和 60% RH 时，平衡吸水率分别高达 1.26g/g、1.81g/g 和 3.13g/g，且在 30% RH 下首小时吸收速率达 1.36g/g/h，优于多数现有吸附剂。

光热转换及水脱附机制：CNTs 的添加拓宽了光吸收范围，与 PDA 协同作用，使 LiCl/PMS/CNTs 在 250 - 2500nm 波长范围内具有高达 95% 的太阳能吸收率。其 3D 互连结构促进了光的多次反射和吸收，提升了光热转换效率。在光照下，材料表面温度迅速上升，1.0sun 照射 5 分钟内，表面温度可达 48.1℃，最高能达到 74.7℃。这种高效的光热转换使吸附的水分能快速脱附，在 1.0sun 照射下，70 分钟内可释放约 90% 的吸收水，脱附速率在不同光照强度下均较高，且随光照强度增加而增大。

大气集水及热电联产机制：基于 LiCl/PMS/CNTs 的集水装置在模拟干旱条件（30℃，30% RH）下，通过周期性光照和遮蔽，5 个循环后每日产水量可达 3.47kg/kg，水收集效率为 86%；在自然环境下，每日产水量更高达 6.06kg/kg。在集水过程中，吸水时 LiCl/PMS/CNTs 释放吸收焓，导致表面温度升高；太阳能驱动脱附时，表面温度进一步上升。将其与热电模块结合，利用吸水和脱附过程中的温度变化，实现了热电转换。在吸水和脱附过程中，该装置的最大输出功率密度分别可达 35.4mW/m² 和 454.4mW/m² ，从而实现了淡水和电力的同时生产。

总结

论文通过创新的集成方法制备出 LiCl/PMS/CNTs 复合吸附剂，其在吸水性能上优势显著，吸水率高且吸水速率快，水释放速度也远超同类材料。基于该吸附剂的集水装置在干旱环境下产水量可观。研究还将其与热电模块结合，构建的双功能系统能同时生产淡水和电力。这一成果为太阳能驱动的 SAWH 系统发展以及可持续水电生产提供了新方向与可行方案。

-作者介绍-

2020年博士毕业，现就职于一所地方高校，主讲《物理化学》课程。

专注→低成本功能材料开发，包括碳材料，疏水/亲水材料，纤维素提取利用，聚氨酯材料的开发与应用，欢迎合作，资助，交流。

邮箱：xidsuo@126.com

爱折腾、爱学习、有一颗好奇的心，知上进，懂感恩的科学工作者。

愿望是拥有足够的科研经费按自己喜欢的方式折腾！

🙏关注玩转物理化学，做科研不迷路！

玩转物理化学

感谢关注！物理化学基本知识点，考研经验分享。分享个人从事的碳材料，疏水/亲水材料，纤维素提取利用，聚氨酯材料的开发与应用等领域知识/进展。

《Cellulose》冬天不怕冷了！藻酸钙/ 棉籽壳纤维/ 碳纳米管气凝胶加热器有望替代暖气

江南大学：氧化锌 / 纤维素层状冷冻凝胶，在热绝缘领域的应用《Cellulose》

南京工业：光谱可调控柔性纤维素基气凝胶材料的制备方法

同济大学：纤维素纳米纤维 - 层状双氢氧化物复合材料的制备及其在脊椎修复中的应用

完全来自生物质的纳米纤维素 - 聚合物复合材料

纳米纤维素涂在玻璃上，助力室内降温

中科院：加点硼酸钠，向空气借水喝！

固态电池扫描电镜样品的制备方法

天津大学：MXene复合纳米纤维素液晶智能变色材料

纤维素的发现与早期历史

纤维素 | 氧化纤维素、纳米纤维素和它们的分散液

熵和能量的退降

纤维素 | 纳米纤维素和其分散液，日本东亚合成株式会社

纤维素 | 纳米纤维素的生产方法，和从其生产的纳米纤维素组合物

纤维素 | 可溶性纳米纤维素片材可用作洗衣领域、个人护理领域以及农业领域

纤维素 | 高度纳米化木质纳米纤维素的制备方法

通向统一之路——自由能的再推导

纤维素 | 高强高韧再生纤维素膜制备方法

疏水材料 | 光伏组件表面专用高透光超疏水Pickering 乳液喷雾的制备方法

纤维素 | 磁性疏水纤维素纳米复合材料用于油水分离

纤维素 | 用于油水分离的超疏水磁性纤维素海绵

纤维素 | 纳米纤维素制备工艺及其特征

纤维素 | Small：酸酐酯化法制备可调色耐用疏水虹彩纤维素薄膜

疏水材料 | 改性有机硅类超疏水材料的制备方法、超疏水骨料的制备方法和自适应水泥基材料

纤维素 | 加点纳米纤维素，制备低脂肪乳化香肠，为健康助力

纤维素 | 通过残留木质素的存在改善纳米纤维素悬浮液和薄膜的性能

纤维素 | 疏水性纳米纤维素的制备

免费领取彭笑刚主讲 “101计划” 物理化学课程

物理化学 | 一文掌握，二组分液固平衡相图

纤维素 | 赫斯特荧光染料复合纤维素纳米晶：点亮防伪领域的智能变色密码

纤维素 | 具有“分离-富集-检测”一体化气凝胶嵌合水凝胶材料

自然过程的方向性——㶲损失原理

温度概念的提出过程与内涵

纤维素 | 聚乙烯醇-纳米纤维素晶体复合水凝胶界面蒸发器及其制备方法和应用

纤维素 | 玉米秸秆制备纳米纤维素

纤维素 | 加点纤维素，泡沫会变得更稳定

状态函数和过程量的本质

解锁物质状态之谜：固体、液体与气体的科学原理简述

表面活性剂的概念、分类、评价方法及其应用

电解质对溶胶的聚沉作用

表面过剩现象产生原因及其相关练习题

认识物质变化之窗——广义热力学方程组

物理化学 | 一文掌握，二组分液固平衡相图

表面张力及其影响因素

物理化学 | 22道考研电化学部分必背简答题（汇总）

简答题 | 可逆电动势及其应用涉及经典简答题

简答题 | 电解质溶液典型题目

化学动力学涉及的基本概念(1)

物理化学 | 盖斯（Hess）定律必须要知道的知识点

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉