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天工大張松楠副研究員《ACS AMI》：多級孔核殼PAAS-PNIPAAm水凝膠用于高效的大氣水收集
2022-12-05  來源：高分子科技

  水資源短缺已經(jīng)成為現(xiàn)代人類面臨的最具挑戰(zhàn)性的困難之一，據(jù)世界氣象組織發(fā)布的最新報(bào)告，在過去的20年，地球的地下水水面以每年1厘米的速度下降，如果一直持續(xù)下去，預(yù)計(jì)到2050年，全球缺水的人數(shù)預(yù)計(jì)將達(dá)到50億，這將對全球水安全造成重大影響，因此，針對這一嚴(yán)重問題，人們采取了一些有效的方法最大限度地利用地球上的淡水資源，例如海水淡化、污水處理、大氣集水等。相關(guān)研究表明，大氣水含量非常豐富，約占世界湖水的10%。因此，大氣水收集技術(shù)受到研究人員的廣泛關(guān)注，成為捕獲淡水的有效方法之一。



  近日，天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院張松楠副研究員，以開孔的聚丙烯酸鈉水凝膠（PAAS）為殼層，以溫敏性的大孔徑聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠（PNIPAAm）為核層，以聚多巴胺納米粒子（PDA）為光熱轉(zhuǎn)化材料，開發(fā)了一種兼具高效吸濕性能及快速釋水性能的光響應(yīng)核殼PAAS-PNIPAAm水凝膠，有效地提高了水凝膠的大氣水收集性能。該研究成果以“Sustainable hierarchical-pored PAAS-PNIPAAm hydrogel with core-shell structure tailored for highly efficient atmospheric water harvesting” 為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上（見文后原文鏈接）。


  水凝膠是一種具有強(qiáng)吸濕性和三維網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)的聚合物材料，在水吸收和運(yùn)輸方面顯示出巨大的優(yōu)勢。同時(shí)，它可以顯著降低水蒸發(fā)所需的蒸發(fā)焓，脫水所需的能量低于以往的吸濕材料（分子篩、硅膠、沸石等）。因此，水凝膠被廣泛應(yīng)用于大氣水收集方面。該研究成果以PAAS為殼層，以PNIPAAm為核層，以PDA為光熱轉(zhuǎn)化材料，采用紫外輻照方法制備了一種兼具高吸濕性能及釋水性能的光響應(yīng)核殼PAAS-PNIPAAm水凝膠，制備過程和各樣品的電鏡圖如圖1所示，該方法工藝流程簡單，制備的水凝膠具有優(yōu)異的大氣水收集性能，為干旱地區(qū)獲取可用淡水資源提供了一種有效的途徑。 


圖1. a) 核殼水凝膠的制備流程。b-f) 核殼水凝膠的SEM圖: b) PAAS水凝膠；c) PNIPAAm水凝膠；d) 核層和殼層之間連接處；e) 水凝膠表面粗糙度圖像，Ra: 11.19 μm；f) 聚多巴胺顆粒。g) 水凝膠的EDS能譜圖。


  在聚多巴胺納米粒子作用下，PDA@PP-Cl水凝膠具有優(yōu)良的光熱轉(zhuǎn)化性能。如圖2所示，在波長為280-2500 nm的范圍內(nèi)，其吸光度可高達(dá)95%。由于PDA@PP-Cl水凝膠具有更快的升溫速率和更為靈敏的光熱響應(yīng)性，在一個(gè)太陽光光照5 min內(nèi)即可達(dá)到75 ℃的平衡溫度，且光熱性能穩(wěn)定性好。 


圖2. a) 水凝膠的吸收光譜。b) 濕態(tài)水凝膠在1個(gè)太陽光強(qiáng)度照射下的溫度變化圖。c) 不同PDA 濃度處理的水凝膠的表面溫度的變化圖。d) 干態(tài)水凝膠在1個(gè)太陽光強(qiáng)度照射下的溫度變化圖。e) 水凝膠在1個(gè)陽光下的紅外熱成像圖。f) 水凝膠在不同光強(qiáng)下的溫度變化曲線。


  PDA@PP-Cl水凝膠的殼層采用孔徑小、比表面積大，吸濕性優(yōu)異的PAAS水凝膠，其可以在夜間將吸收的水分快速定向輸送到核層，避免了一定程度的水分蒸發(fā)和氯化鋰流失。核層采用孔徑大，釋水性優(yōu)異的溫敏性PNIPAAm水凝膠，其在聚多巴胺納米粒子的作用下可以快速地釋放水分并輸送到殼層進(jìn)行高效的光熱水蒸發(fā)。核層和殼層水凝膠之間的相互協(xié)同作用可以有效防止氯化鋰的損失，提高核殼PDA@PP-Cl水凝膠的吸濕能力和循環(huán)穩(wěn)定性能。如圖3所示，PDA@PP-Cl水凝膠在較寬的濕度范圍內(nèi)均展現(xiàn)出優(yōu)異的吸濕性（2.76 g g-1，RH 90%；0.68 g g-1、RH 30%），并且PDA@PP-Cl水凝膠不同濕度下的吸濕性能明顯優(yōu)于多數(shù)報(bào)道的吸濕材料。同時(shí)，我們還對PDA@PP-Cl水凝膠的吸濕和釋水機(jī)理進(jìn)行了討論。此外，聚多巴胺納米粒子和溫敏性PNIPAAm水凝膠的相互協(xié)同作用，可以快速將核層PNIPAAm水凝膠的表面溫度上升到LCST以上，進(jìn)而有效提高其釋水性能。如圖4所示，PDA@PP-Cl水凝膠在1太陽光強(qiáng)度下展現(xiàn)出優(yōu)異的釋水性能（1.42 kg m-2 h-1）。 


圖3. a) 核層和殼層的厚度。b) 不同核殼厚度水凝膠的吸濕性能。c) 水凝膠在不同的濕度下的吸濕性能。d) 不同LiCl濃度處理的水凝膠吸濕性能。e) 水凝膠吸濕和放濕的機(jī)理圖。f) 不同吸附劑的吸濕性能。 


圖4. a) 水蒸發(fā)測試裝置。b) 水收集器內(nèi)壁上水滴形成的照片。c)不同核殼比例的水凝膠在1個(gè)太陽照射下的釋水性能。d) 水凝膠在不同光照強(qiáng)度下的釋水性能。e) 聚多巴胺改性前后水凝膠的釋水性能。


  該研究成果制備的核殼結(jié)構(gòu)水凝膠大氣集水器在獲取淡水資源方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，為水資源稀缺地區(qū)的淡水資源捕獲提供了一種有效的途徑。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c19840

  個(gè)人主頁：https://www.x-mol.com/groups/zhangsongnan

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