太阳能驱动的吸附式空气取水(SAWH)技术,作为一种前景广阔的方法,为解决干旱地区水资源短缺问题提供了有效途径。其性能的优劣主要取决于吸附剂的吸湿能力。高负载量的盐基复合吸附剂在低湿度条件下展现出优异的吸湿能力,是目前较为常用的吸湿材料。然而,高盐含量在长期吸湿过程中可能引发盐泄漏风险。为应对这一挑战,一些研究提出了改变吸附剂结构的策略,如采用封装和夹层结构等。然而,这些方法的制备过程相对复杂,能耗较高,同时它们还增加了吸湿性盐与空气接触的阻碍,还可能导致吸湿性盐分散不均和团聚现象,进而降低吸湿能力和动力学性能。因此,探索一种简便的方法,以开发出具有适当盐含量且盐分布均匀的复合吸附剂,显得尤为重要。另一方面,在SAWH过程中,会产生大量的额外热量,包括吸附热和未充分利用的太阳热能。这些热量往往被忽视,但考虑到干旱地区普遍存在的电力短缺问题,设计一种能够利用这些热量进行发电并同时生产淡水的系统,无疑具有重要意义。这样的系统不仅能够提高能源利用效率,还能为干旱地区提供可持续的电力和淡水资源,从而有效应对水资源短缺和能源短缺的双重挑战。
基于此,东华大学覃小红教授和张雪萍研究员开发了一种简单的集成策略来合成基于氯化锂(LiCl)的超吸湿海绵。这一方法摒弃了传统的浸渍法,转而采用在三聚氰胺海绵上利用多巴胺(DA)聚合过程固定氯化锂(简称PMS)的新途径。通过多巴胺分子中的-OH和-NH2基团与氯化锂发生螯合作用,实现LiCl在海绵中的均匀稳定固定,显著提升吸湿性能。加入碳纳米管(CNTs)后形成的LiCl/PMS/CNTs复合海绵具有三维多孔结构,吸湿动力学优异,在相对湿度15%、30%和60%下,平衡吸湿量分别为1.26、1.81和3.13 g g-1。此外,在1.0倍太阳辐射的照射下,LiCl/PMS/CNTs复合海绵能够在短短70分钟内迅速释放出其吸附水分的90%。在模拟的干旱环境(30℃,30%相对湿度)下,基于LiCl/PMS/CNTs的水收集器实现了惊人的日产量,达到了3.47 kg kg-1 day-1。为了充分利用吸湿/解吸过程中产生的低品位热量,作者成功地将LiCl/PMS/CNTs复合海绵与热电模块相结合,打造出了一个兼具淡水生产和电力供应功能的双功能装置。该装置在吸湿和解吸过程中分别展现出了35.4 mW m-2和454.4 mW m-2 的最大输出功率密度,标志着在能源和水资源双重短缺背景下的一种高效且可持续的解决方案的诞生。该成果以题为“Super Moisture-Sorbent Sponge for Sustainable Atmospheric Water Harvesting and Power Generation”发表在《Advanced Materials》上,郭瀚宇博士生为第一作者,覃小红教授、张雪萍研究员为通讯作者。
1.LiCl/PMS/CNTs的制备与表征
图1. LiCl/PMS/CNTs的制备与表征
2. LiCl/PMS/CNT的吸湿性能
图2. LiCl/PMS/CNT的吸湿性能
3. LiCl/PMS/CNTs的解吸性能
图3. LiCl/PMS/CNTs的解吸性能
4. LiCl/PMS/CNTs的大气集水性能
图4. LiCl/PMS/CNTs的大气集水性能
5. 同时进行大气水收集和发电
图5. 同时进行大气水收集和发电
综上所述,作者开创性地提出了一种既简洁又高效的集成策略,该策略巧妙地利用了氯化锂(LiCl)与多巴胺(DA)之间的螯合作用,以及多巴胺在三聚氰胺海绵(MS)基质上的同步聚合反应,成功制备出了一种氯化锂分布均匀且结构稳定的盐基复合吸附剂。所得到的LiCl/PMS/CNTs海绵,凭借其独特的三维互连多孔结构,在相对湿度(RH)分别为15%、30%和60%的条件下,展现出了卓越的吸湿性能,吸湿率分别高达1.26、1.81和3.13 g g-1,特别是在相对湿度为30%的环境下,其第一小时的吸湿速率更是达到了惊人的1.36 g g-1 h-1。此外,LiCl/PMS/CNTs在1.0个太阳光照强度下,仅需70分钟即可释放出其吸附水分的90%,这一速度远超当前已报道的其他氯化锂基复合材料。
全文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202414285
- 江苏科技大学郭峰/施伟龙 CEJ:g-C3N4框架中引入羟基和富含π电子域以增强无牺牲剂光催化H2O2生成的性能 2024-09-23
- 四川大学金勇教授团队 CEJ:具有可逆相变诱导的太阳能驱动球形夹层水凝胶用于高效稳定水收集和净化 2024-09-13
- 江西师范大学陈义旺团队 Adv. Funct. Mater.:预沉积给体策略构筑高效稳定可印刷的准平面异质结有机太阳电池 2024-04-29
- 苏大李刚教授、美国Tufts大学Ying Chen教授/David Kaplan院士合作 AFM:人工培养肉 - 食品行业的可持续解决方案 2024-11-12
- 东华大学柯勤飞、赵奕/港城大胡金莲团队 Nano Lett.:以废治废 - 助力可持续水体修复的多功能角蛋白纤维状吸附材料 2024-10-14
- 浙江大学赵骞教授团队 Matter:静电喷涂制备多孔水凝胶涂层用于高效、可持续的蒸发冷却 2024-09-24