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马里兰大学李腾教授 Nano Energy:纯天然环保高效“空气取水”
2023-03-28  来源:高分子科技

  水是生命之源,但如何获得安全的饮用水仍然是一项全球性的挑战。目前全世界仍约有22亿人无法获得安全的饮用水。大气层中富含水分,预计储存有相当于地球上所有湖泊淡水量的10%的水分, 总量超过1000亿吨。预计通过大气集水,或可为约10亿人提供安全饮用水,是应对缺水的潜在有效解决方案。然而,此前研究报道的硅胶、沸石和金属有机框架等材料,存在水分捕获能力低和制造过程昂贵等问题。近日,美国马里兰大学李腾教授课题组基于纯天然材料,掺杂低廉高效的LiCl吸水剂,构建了一种纯自然驱动的,无需其他能量输入的,在非干旱和干旱环境中都具有强大气集水能力的纯天然环保材料。


图1 制备纯天然环保空气集水材料的方法及其集水性能示意图。


  该纯天然环保空气集水材料可从空气相对湿度为90%的大气中吸收超过其重量670%的水分,并在阳光照射下1小时内迅速释放95%的吸收水分。在干旱环境(30%RH)和非干旱环境(30%-60%RH)中,日产水量分别为1.24g g-1 day-12.83g g-1 day-1,优于现有的吸水材料。该复合材料环保无毒,有望为大气集水提供可行且高效的绿色方案。 


纯天然环保空气集水材料的形态、红外、紫外光谱分析和热稳定性分析。


  LiCl是一种在空气中具有显著潮解行为的可溶性盐,可高效捕获大气中的水蒸气。纯天然环保空气集水材料中含有大量联通孔道,可容纳大量LiCl,并形成LiCl纳米颗粒及雪花状晶体。此外,纯天然环保空气集水材料的三维多孔结构在空气和LiCl之间提供了更大的界面面积。因此,与大颗粒的LiCl晶体相比,纯天然环保空气集水材料具有更高的吸水效率,可在有限时间内收集更大量的水。实验表明,纯天然环保空气集水材料初始吸水速度可达纯LiCl晶体颗粒的13倍。 


商用LiCl颗粒和纯天然环保空气集水材料在不同测试条件下的集水性能。


  纯天然环保空气集水材料展现出了良好的集水性能循环稳定性。实验结果显示,在空气相对湿度为90%,温度为25℃的环境中,从第四次直至第十次吸水-放水循环开始,泡沫可以保持单次循环集水性能最大值的85%直至第十次循环结束。


  李腾教授课题组还设计制备了基于纯天然环保空气集水材料的一体化装置。实验表明,该装置适用于不同光照环境,在一个太阳光强度照射下可在1h内释放95%的吸收水。该装置可循环吸脱水,表现出良好的稳定性。红外热成像的结果表明,纯天然环保空气集水材料具有高效的光热转换能力,可在2min内快速升温至40℃。将该装置应用于自然环境集水,结果表明,在经过7个吸脱水循环后,纯天然环保空气集水材料可在干旱环境(30%RH)中日集水1.24 g g-1,在非干旱环境30%-60%RH中日集水2.88 g g-1,展示了一种潜在可行、高效、且环保的大气集水解决方案。 


在不同光强条件下纯天然环保空气集水材料的水释放性能以及基于纯天然环保空气集水材料的一体化装置的集水效率。


  论文信息:

  Chen et al., All-natural, eco-friendly composite foam for highly efficient atmospheric water harvesting, Nano Energy, 110, 108371 (2023)

  https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108371


作者简介

  马里兰大学李腾教授团队专注于高性能可持续材料、软材料、低维纳米材料、原子尺度催化剂、能源存储材料等的设计与开发,相关研究成果发表在Nature, Science, Nature Review Materials, Nature Nanotechnology, Nature Sustainability, PNAS, PRL, JACS等国际顶级期刊,并于2022年荣获马里兰大学系统校董杰出科研创新奖, 2019年马里兰大学年度发明奖(物理科学领域),2018年荣获被誉为“国际发明创造奥斯卡”的R&D100大奖,2016年荣获国际工程科学学会青年科学家奖章。李腾教授现任马里兰大学先进可持续材料与技术实验室主任,Extreme Mechanics Letters副主编,李腾教授在2006年和哈佛大学锁志刚教授共同发起创建iMechanica.org,目前已经成为国际力学领域用户最多的网络资源平台。
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