专栏名称: 高分子科技

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上理工王佳韵/上海交大王如竹 Adv. Mater.: 受空气凤梨启发的超高效温敏吸湿纳米纤维用于太阳能空气取水

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2024-11-03 08:02

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太阳能吸附式空气取水是一种在离网干旱地区供水的有前途的方法，但通过解吸 - 冷凝的传统取水循环总是伴随着大量能耗因而限制了取水效率。受空气凤梨启发，开发了一种新型复合水凝胶 (PNIPAAm-CNTs-PNMA@LiCl) ，缩写 PCP @LiCl ，内部温敏组分聚 N -异丙基丙烯酰胺 (PNIPAAm ) 可以在临界温度下实现亲疏水性的转化，从而使 PCP @LiCl 将吸附的水以液态直接从材料中挤出，避免了水经历多重气液相变过程造成的能量浪费。通过静电纺丝制备的纳米纤维在 15% 、 30% 及 60%RH 的条件下，吸湿量可达到 0.43 g/g 、 0.89 g/g 及 1.48 g/g 。取水过程中，温敏组分与氯化锂呈现了有趣的博弈现象，将阶跃湿度由原本的 11% RH 延后至 35% RH ，即收集相同水量情况下，所需冷凝温度由 20 ^o C 可提升为 45 ^o C 。该纳米纤维具有快速的吸湿 - 解吸动力学特性，在中低湿工况（ 1 5%~ 30% RH ），仅 2 小时即可吸附饱和。另外，碳纳米管赋予的光热性能和挤水性相结合，在自然光照射 5 分钟后，纳米纤维直接挤出体内 50% 的液态水，无需冷凝过程便可收集。团队结合吸附式空气取水的热力学框架和全球高精度气象数据，建立了全球潜能模型并证明了温敏纤维在干旱和半干旱地区的应用价值。这项研究为实现高效的太阳能空气取水技术提供了新的见解。

随着全球变暖与工业化的不断推进，饮用水短缺危机成为全球性的挑战。太阳能吸附式空气取水（ SAWH ）作为一种无需外界输入电力、离网运行的灵活淡水获取方法，引起了学术界广泛的关注。该技术利用吸附剂捕获空气中的水分子，再通过热或者其他能量驱动吸附态水的释放，并通过冷凝实现对液态水的收集。然而，当前吸附式空气取水技术陷入困境：一方面，解吸温度和动力学仍然受限；另一方面，通过解吸 - 冷凝的传统取水循环总是伴随着大量能耗。因此，亟需探索一种新的路径实现低能耗的高效空气取水。空气凤梨，隶属于铁兰属（ Tillandsia Species ），其叶片具有特殊的亲疏水结构，实现快速的水分吸收与液滴输运，因此可凭借叶片直接从大气环境中吸收水分维持生命活动。本工作受空气凤梨启发，开发了吸湿温敏纳米纤维，在临界温度下实现亲疏水性的转化，从而使吸附剂将吸附的水以液态直接从材料中挤出，避免了水经历多重气液相变过程造成的能量浪费。

研究出发点：

1．受空气凤梨启发，本工作制备了一种用于太阳能驱动空气取水的温敏纺丝纤维PCP@LiCl，内部温敏组分聚 N -异丙基丙烯酰胺 (PNIPAAm ) 可以在常温下实现亲疏水性的转化，从而使 PCP @LiCl 将吸附的水以液态直接从材料中挤出，避免了水经历多重气液相变过程造成的能量浪费。

2．通过静电纺丝制备的纳米纤维在 15% 、 30% 及 60%RH 的条件下，吸湿量可达到 0.43 g/g 、 0.89 g/g 及 1.48 g/g 。该纳米纤维具有快速的吸湿 - 解吸动力学特性，在中低湿工况（ 1 5%~30% RH ），仅 2 小时即可吸附饱和。

3．另外，碳纳米管赋予的光热性能和挤水性相结合，在自然光照射 5 分钟后，纳米纤维直接挤出体内 50% 的液态水，无需冷凝过程便可收集。这一特性使纳米纤维在全球潜能估计中证明其在干旱和半干旱的地区具有良好的应用前景。

图1 纳米纤维的制备流程及材料表征。a ) 制备流程b -c)扫描电子显微镜d-e) 冷冻电镜f)制备过程基团变化 g)制备过程晶体结构变化

研究团队提出了一种通过静电纺丝方式制备吸湿性纳米纤维的方法：在异丙基丙烯酰胺和羟甲基丙烯酰胺的共聚物中加入碳纳米管，采用静电纺丝法将其纺成纤维膜，经热交联后获得稳定的纤维膜结构，并浸渍氯化锂得到吸湿性纳米纤维。扫描电子显微镜显示纳米纤维呈疏松的网状结构，吸湿盐均匀附着于纤维上。它同样保留了温敏性质，在冷冻电镜下，吸附后的纳米纤维表面存在着大量的冰晶，而在解吸完成后非常光滑，证明解吸性能出色。

图2 纳米纤维的吸附-解吸性能。a -c) 静态吸附性能d- e) 动态吸附性能像f )循环稳定性；g) 热解吸性能h ) 静态吸附性能比较i )动态吸附性能比较

温敏纳米纤维具有吸附量高、吸附速率快、稳定性好等优点。在 1 5% 、 3 0% 和 6 0% 的 RH 下分别达到了 0 .43 、 0 .89 和 1 .48 g g ^-1 的高吸附量。取水过程中，温敏组分 PNIPAAm 与氯化锂呈现了有趣的博弈现象，将阶跃湿度由原本的 11% RH 延后至 35% RH ，即收集相同水量情况下，所需冷凝温度由 20 ^o C 提升为 45 ^o C ，大大降低了冷凝能耗。另一方面，纤维间的高孔隙带来的低传质阻力，使其在干旱和半干旱条件下具有比现有盐基复合吸附剂更为快速的吸附动力学，约两个小时即可达到饱和。此外，在 6 0%RH 的高湿环境下，材料在多次吸附 - 解吸循环后仍不会发生盐泄露，展现出高的稳定性。

图3 纳米纤维的挤水性能。a )热实验装置示意图b) 挤水图像c -d) 温敏性表征；e -g)光热性能测试

研究团队分别在电热和光热的条件下对纳米纤维的解吸性能进行了研究。结果显示，随着温度上升，液态水逐渐从材料内部被挤到表面，这个过程大约持续五分钟。升温过程中，温敏材料的亲疏水性发生了显著的变化，当温度达到约 38 ^o C ，材料表面的接触角从 38 度开始增加，在约 42 ^o C 后达到接触角保持在 80 度。纳米纤维中的碳纳米管具有良好的光热转化性能，即便在低太阳辐照下，也仅需要两分半即可达到纳米纤维的临界转化温度。

图4 纳米纤维的全球应用潜能。a)PCP@LiCl在全球的取水潜力;b) 有无PNIPAM的材料的性能对比，浅蓝色表示PCP @LiCl取水性能更佳。

根据吸附剂的热湿传递过程，建立了 SAWH 的热力学框架，基于构建的热力学框架和全球高分辨率气候数据，绘制了纳米纤维在全球的应用潜能地图。其主要应用领域位于赤道附近的高温高湿地区，即东南亚、南海诸岛、中非和南美洲北部，最多能够实现 2 .5g/g 的取水量。同时，与没有加入 PNIPAAm 的纳米纤维进行了对比。得益于独特的光热性和挤水性，温敏性纳米纤维在干旱和半干旱地区都具有更好的应用潜能。

总结与展望：

为了解决吸附剂动力学低和避免 SAWH 中经历“气化 - 液化”造成的能量浪费，该论文受空气凤梨启发，用静电纺丝的方法开发了一种具有温敏性质的吸湿纳米纤维。该复合吸附剂具有吸附量高、吸附速率快、稳定性好的优点，并且能够在太阳光下将吸附的水分以液态水的形式直接挤出。基于吸附式空气取水的热力学框架和温湿度、太阳辐照强度等全球高精度气象数据，本研究建立了全球潜能模型并证明了温敏纤维在干旱和半干旱地区的应用价值。该研究为太阳光的直接高效利用提供了新的思路，促进了吸附式空气取水技术的发展。

文献信息：

第一作者：王佳韵，应汶峻

通讯作者：王佳韵*，王世革*，王如竹*

通讯单位：上海理工大学，上海交通大学

Jiayun Wang*, Wenjun Ying, Bowen Lin, Chunfeng Li, Chaohe Deng, Hua Zhang, Shige Wang*, & Ruzhu Wang*. Tillandsia-Inspired Ultra-Efficient Thermo-Responsive Hygroscopic Nanofibers for Solar-Driven Atmospheric Water Harvesting. Advanced Materials, 2024.

https://doi.org/10.1002/adma.202408977

作者介绍：

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共同第一作者 – 应汶峻 ：上海理工大学能源与动力工程学院博士研究生，师从王佳韵副教授，王如竹教授。主要从事吸附式空气取水的材料制备，装置热湿传递和热力学框架等方面的研究。

共同第一作者 & 通讯作者 – 王佳韵 ：上海理工大学能源与动力工程学院副教授，博导，曾作为王如竹教授带领的 ITEWA 团队成员之一，长期从事空气取水、新型能源材料开发应用、热力学系统热湿传递等方面的研究。主持国自然面上、青年基金等多项课题。上海市晨光学者，入选上海理工大学“乘风计划”、“志远计划”、“思学计划”，曾获上海交通大学“学术之星”称号、节能减排特等奖等荣誉。指导学生获上海市大学生节能减排竞赛特等奖、全国研究生数学建模竞赛二等奖。在《 Energy & Environmental Science 》、《 Advanced Materials 》、《 Nano Energy 》等期刊已发表高水平学术论文三十余篇，授权国家专利十余项。

共同通讯作者 – 王如竹 ：上海交通大学讲席教授，制冷与低温工程研究所所长，教育部太阳能发电及制冷工程中心主任。他在低品位热能高效制冷的吸附 / 吸收制冷、低品位热能品位提升的热泵、能源 - 水 - 空气的交叉前沿研究等方面取得了显著的创新成就。主持的成果获 2014 年国家自然科学二等奖、 2010 年国家技术发明二等奖和 2023 年国家科技进步二等奖，以及 2022 年何梁何利基金科学与技术创新奖；他荣获 2018 国际热科学 Nukiyama 纪念奖、 2019 国际制冷学会最高学术奖 Gustav Lorentzen 奖章、 2021 国际能源署热泵奖和 2023 全球能源奖 Global Energy Prize 等 7 项学术成就奖。均为首位中国籍学者获奖。 2018 年创立 ITEWA 学科创新交叉团队，致力于能源 - 水 - 空气与其它领域的学科交叉。团队近 5 年来在 Science , Nature Water, Joule, EES, AM, Nature Comm., Device 等期刊上发表系列跨学科交叉论文。