德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华团队Adv. Mater.：用于全天候空气取水的超强吸湿凝胶

【引言】

大气水收集（AWH）材料目前已经能够在超高相对湿度（RH）条件下直接从空气中收集液态水，如雾捕获和露水收集等。由于空气温度会影响RH，因而这种方法需要定期降温或者人工冷却以升高RH达到过饱和。最近，有研究报告显示，尽管新型AWH材料可在低RH水平（RH=20%）的条件下实现空气取水，但此条件下空气中可用水储量较低，其水产量依然不高。鉴于季节性和气候变化，干旱地区的RH通常在30-90%之间。这种适中的RH表明空气中水量巨大，但能够实现高效空气取水的方法（或者材料）却依然有待发掘，这对于基础研究和实际应用都有至关重要的意义。在这种情况之下，基于表面水吸附的吸湿性材料，诸如分子筛、硅胶和聚合物干燥剂等，虽可在比较宽的RH范围内用吸收空气中的水分，但其与水分子间的强相互作用，显著阻碍了水的释放过程，因而仍难以满足空气取水技术的基本需求。

【成果简介】

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授（通讯作者）课题组开发了一种超强吸湿凝胶，其能够从空气中吸收相当于自身重量数十倍的水分，并在阳光照射下释放出洁净的液态水。该种凝胶是将吸湿性聚合物与亲水性凝胶进行协同结合。这种超强吸湿凝胶能够实现基于聚合物网络的水分捕获，而不是像其他AWH材料那样是基于活性表面的蒸汽吸附，因而在宽湿度范围内都展现出高效的大气水收集效果。为了探索该种材料的潜在应用，还进一步通过可拓展的超强吸湿凝胶模型来进行了户外实验，真实模拟自然环境中的大气水收集。该成果以题为" Super Moisture-Absorbent Gels for All-Weather Atmospheric Water Harvesting"发表在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1 基于超强吸湿凝胶的大气水收集

(a) 大气水收集过程的示意图；

(b) 不同相对湿度水平条件下，24小时大气水收集的水量。

图2 超强吸湿凝胶的表征

(a) poly-NIPAM和PPy-Cl簇的的骨架、多孔结构以及互穿网络的示意图；

(b) 干燥的超强吸湿凝胶在不同放大倍数下的SEM图像；

(c) 超强吸湿凝胶的动态力学分析，包括储能模量（G'）和损耗模量（G“）；

(d) PPy-Cl和超强吸湿凝胶的XPS表征结果。

图3 超强吸湿凝胶的水捕获

(a) 相对湿度为30%、60%和90%时超强吸湿凝胶的水捕获；

(b) 水分子对相关函数的分子动力学模拟；

(c) PPy-Cl在各种相对湿度条件下吸湿的实验（黑点）和模拟（蓝色划线）数据；

(d) poly-NIPAM凝胶的液态水（紫色曲线）和水分（橙色曲线）吸收；

(e) 超强吸湿凝胶实现吸湿性的示意图。

图4 超强吸湿凝胶的水释放

(a) 超强吸湿凝胶在高吸水量下的水释放模式；

(b) 超强吸湿凝胶在低吸水量下的水释放模式；

(c) 太阳能诱发的水释放的快速模式和正常模式示意图。

图5 户外阳光驱动的大气水收集

(a) 基于超强吸湿凝胶的1) 捕水包及2) 水收集器示意图；

(b) 在自然环境中捕获水过程中超强吸湿凝胶袋的照片；

(c) 在太阳辐射下释放水过程中超强吸湿凝胶袋的照片；

(d) 在清晨户外代表性的水捕获过程（蓝色曲线）；

(e) 在中午户外代表性的水释放过程（蓝色曲线）。

【小结】

本文中，作者发展了一种基于超强吸湿凝胶的并且能够在不同相对湿度条件下工作的空气取水体系，该体系是协同整合以下三个方面的：1.用于吸湿和液化的吸湿性PPy-Cl；2.用于储水的聚NIPAM亲水网络；3.基于聚NIPAM的亲水性转换以实现快速水释放。这些协同功能是通过功能聚合物材料的互穿网络的有效水传输来得以实现的。除了大气水收集之外，该种设计还可以用于高储存容量的大气水管理、可控相变以及通过聚合物网络的可控水输送等。

文献链接：Super Moisture‐Absorbent Gels for All‐Weather Atmospheric Water Harvesting (Adv. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adma.201806446)

【作者简介】

余桂华，美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系，机械系教授，英国皇家化学学会会士（FRSC）。余教授团队的研究重点是有机和复合功能纳米材料的合理设计和合成，对其化学和物理性质的深入解析，以及大规模制备和集成策略的开发，以使其在能源，环境和生命科学领域展现重要的技术应用。目前已在Science, Nature, Nature Nanotechnology, Nature Communications, PNAS, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Chem, Joule, Nano Letters, Energy & Environmental Sciences,等国际著名刊物上发表论文120余篇，论文引用逾20，000次，H因子66。其中多篇论文被期刊选为非常重要论文或热点论文。其发表工作曾被多个国际媒体亮点报道，其中包括Nature News, Science News, ABC News, Fox News, Forbes, Discover, National Geographic, Science Daily, R&D Magazine, MIT Technology Review, Popular Science, Ars Technica, C&EN, Gizmag, IEEE Spectrum, MRS Bulletin等。

【团队工作汇总】

近期，余教授在凝胶材料环境/能源应用领域发表了如下代表性论文：

1. F. Zhao, X. Zhou, Y. Liu, Y. Shi, Y. Dai, G. Yu, “Super Moisture-Absorbent Gels for All-Weather Atmospheric Water Harvesting”, Adv. Mater. 1806446 (2019).
2. F. Zhao, J. Bae, X. Zhou, Y. Guo, G. Yu, "Nanostructured Functional Hydrogels as an Emerging Platform for Advanced Energy Technologies", Adv. Mater. 30, 1801796 (2018).
3. F. Zhao, X. Zhou, Y. Shi, X. Qian, M. Alexandre, X. Zhao, S. Mendez, R. Yang, L. Qu, G. Yu, “Highly Efficient Solar Vapour Generation via Hierarchically Nanostructured Gels", Nature Nanotech. 13, 489 (2018).
4. X. Zhou, F. Zhao, Y. Guo, Y. Zhang, G. Yu, "A Hydrogel-based Antifouling Solar Evaporator for Highly Efficient Water Desalination", Energy Environ. Sci. 11,1985 (2018).
5. H. Shi, Z. Fang, X. Zhang, F. Li, Y. Tang, Y. Zhou, P. Wu, G. Yu, “Double-Network Nanostructured Hydrogel-Derived Ultrafine Sn–Fe Alloy in 3D Carbon Framework for Enhanced Lithium Storage", Nano Lett. 18, 3193 (2018).
6. P. Li, Z. Jin, L. Peng, F. Zhao, D. Xiao, Y. Jin, G. Yu, “Stretchable All-Gel-State Fiber-Shaped Supercapacitors Enabled by Graphene/Nanostructured Conductive Polymer Hydrogels", Adv. Mater. 30, 1800124 (2018).
7. L. Li, L. Pan, Z. Ma, K. Yan, W. Cheng, Y. Shi, G. Yu, “All Inkjet-Printed Amperometric Multiplexed Biosensors Based on Nanostructured Conductive Hydrogel Electrodes", Nano Lett. 18, 3322 (2018).
8. J. Bae, Y. Li, J. Zhang, X. Zhou, F. Zhao, Y. Shi, J. B. Goodenough, G. Yu, "A 3D Nanostructured Hydrogel-Framework-Derived High-Performance Composite Polymer Lithium-Ion Electrolyte", Angew. Chem. Int. Ed. 57, 2096 (2018).
9. P. Wu, A. Zhang, L. Peng, F. Zhao, Y. Tang, Y. Zhou, G. Yu, "Cyanogel-Enabled Homogeneous Sb–Ni–C Ternary Framework Electrodes for Enhanced Sodium Storage", ACS Nano, 12, 759 (2018).
10. F. Zhao, Y. Shi, L. Pan, G. Yu, "Multifunctional Nanostructured Conductive Polymer Gels: Synthesis, Properties & Applications", Acc. Chem. Res. 50, 1734 (2017).

本文由材料人生物学术组biotech供稿，材料牛审核整理。

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