东华大学覃小红教授、张雪萍研究员 Adv. Mater.：高效稳定超吸湿海绵用于可持续的大气水收集与发电

2024-11-12 来源：高分子科技

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

作者采用集成策略，将多巴胺(DA)、氯化锂(LiCl)和碳纳米管(CNTs)结合在三维多孔的三聚氰胺海绵(MS)上。多巴胺因富含-OH和-NH₂基团，能与LiCl螯合，并自发聚合为聚多巴胺(PDA)，均匀沉积于MS表面（形成PMS）。此过程既确保LiCl颗粒均匀固定，又促进CNTs有效分散。为验证此螯合作用，使用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)表征。FTIR显示PDA成功聚合，XPS则证实DA与LiCl的螯合，包括Li-O和Li-N螯合物，使LiCl牢固均匀固定于MS表面。

图1. LiCl/PMS/CNTs的制备与表征

2. LiCl/PMS/CNT的吸湿性能

LiCl/PMS/CNTs复合海绵利用LiCl与多巴胺的螯合作用，相比直接浸渍法制得的LiCl/MS/CNTs，吸湿率和速率更优，验证了策略的有效性。在15%、30%和60%相对湿度下，该材料分别190分钟、160分钟和220分钟内达吸湿平衡，吸湿量分别为1.26、1.81和3.13 g g^-1，首小时吸湿速率高达0.74、1.36和2.59 g g^-1 h^-¹，尤其在干燥气候下表现卓越。此外，该海绵因螯合作用而具有高循环稳定性，35次循环后性能无明显衰退。

图2. LiCl/PMS/CNT的吸湿性能

3. LiCl/PMS/CNTs的解吸性能

作者在光热的条件下对超吸湿海绵的解吸性能进行了研究。结果显示，在250至2500 nm波长范围内，LiCl/PMS/CNTs复合材料展现出了卓越的太阳光吸收能力，其吸收率高达约95%。在标准太阳辐射强度（1.0倍太阳辐射）下，该复合材料能够在短短70分钟内释放出约90%的吸附水分，这一速度远超多数已报道的基于LiCl的复合材料。更令人印象深刻的是，即便在低光强辐射条件（仅为0.6倍太阳辐射）下，LiCl/PMS/CNTs在100分钟后仍能释放出高达75%的水分，充分展示了其出色的光热转换效率和水分释放性能。

图3. LiCl/PMS/CNTs的解吸性能

4. LiCl/PMS/CNTs的大气集水性能

作者精心设计并制作了一个简便易携的集水装置，并在模拟的干旱条件（30℃，相对湿度30%）下，通过周期性模拟阳光的暴露与遮挡，对该装置进行了连续24小时的5次循环集水实验。实验结果显示，经过这5次循环后，集水量高达3.47 kg kg^-1 day^-1，集水效率更是达到了86%，远超多数已报道成果。为了确保收集到的水质安全可靠，水质分析显示，离子浓度、总有机碳（TOC）及总氮（TN）均远低于WHO安全标准，证明水质优良，完全符合饮用水安全要求。

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

作者用红外摄像监测LiCl/PMS/CNTs复合材料吸湿时的温度变化，LiCl/PMS/CNTs的表面温度在短短30秒内即从20 ℃迅速上升至约31 ℃。若未能妥善管理，这部分能量将逐渐耗散至周遭环境之中。为了有效利用太阳能驱动的大气水收集（SAWH）过程中蕴含的低品位热能资源——包括吸附热及多余的太阳能热能，作者将LiCl/PMS/CNTs材料与热电（TE）模块相结合，构建了一个集大气水收集与发电功能于一体的装置。在材料的吸附与解吸循环过程中，我们分别测得的最大输出功率密度高达35.4 mW m^-2和454.4 mW m^-2。尤为值得一提的是，该装置在历经多次吸附-解吸循环后，其性能依然保持稳定，有力证明了其具备长期、持续地从空气中捕获水分并同步产生电能的能力。

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。

在模拟的干旱条件（30℃，30% RH）下，基于LiCl/PMS/CNTs的集水装置展现出了非凡的产水能力，日产量高达3.47 kg kg^-1 day^-1。更令人振奋的是，作者成功地将LiCl/PMS/CNTs海绵与热电模块相结合，构建了一个功能全面的双系统，该系统能够高效地利用集水过程中产生的热量，实现了淡水与电力的同步生产。这一创新性的工作不仅为开发便携式、低成本、高产量的太阳能驱动SAWH系统提供了全新的思路，同时也为更合理的水电联产探索出了新的途径。

全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202414285

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（责任编辑：xu）

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