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青科大張建明/宗魯團隊 ACS Mater. Lett.:聚電解質化纖維素納米晶助力其再分散及高效濕氣水收集
2024-02-18  來源:高分子科技

  隨著人口的增長和水污染的加重,全球淡水資源日益緊缺。大氣集水技術(AWH)不受區域限制,可以為內陸和偏遠地區分散式提供淡水資源,具有巨大的應用前景。AWH可以通過親水界面收集霧滴、通過冷卻技術收集露珠或者通過吸附劑捕獲-釋放水。霧滴和露水采集需要較高的相對濕度或大量的能量。基于吸附劑的AWHSAWH)通過設計吸附劑材料的結構與組成,利用物理(微納米結構)或者化學(極性基團、靜電吸引)等與空氣中自由的水分子相互作用,吸附或者吸收水,可以實現低濕度下(<30 RH %)高效集水。目前主要以吸水性高分子和高吸濕性無機鹽復合來制備吸附劑。然而,吸水性高分子表面極性基團含量有限,在空氣中難以直接吸收水分子,通常需要負載大量的無機鹽,這導致復合吸附劑存在著集水效率低和無機鹽易泄露等問題。提高吸水性高分子表面的極性基團含量,可提高吸附劑與水分子的相互作用,有助于解決SAWH的集水效率和安全穩定性等問題



  近日,青島科技大學張建明教授、宗魯副教授團隊利用自由基接枝聚合和溶液浸漬策略,以纖維素納米晶和聚丙烯酸為功能單元,通過聚合物接枝制備聚電解質化纖維素納米晶SCNCPA,復合吸附劑表面高含量的極性基團和纖維素網絡運輸通路等特性制備用于高效集水的新型吸附劑材料SCNCPA based -EF得益于高接枝率~ 206%,剛性的SCNCPA網絡配以高度羧基化的表面~ 11.5 mmol g?1,具有足夠的物理吸附和化學吸附位點,可以快速捕獲低濕度空氣中的水。同時以彈性織物EF為骨架,輔以少量的吸濕鹽~ 20 wt %SCNCPA based-EF AWH裝置表現出優異的AWH性能,在30% RH的條件下,可以實現約為1.27 g g?1的平衡吸水量,并可在30 min 內完全解吸,每天可生產出約8.4 L kg?1的淡水。這一策略為AWH系統的可持續和有價值的設計提供了新的見解。相關工作以題為Polyelectrolytic Cellulose Nanocrystals Enabled Efficient Atmospheric Water Harvesting的研究性論文發表在國際著名期刊ACS Materials Letters上(DOI10.1021/acsmaterialslett.4c00121)。青島科技大學高分子學院碩士研究生盧云潔為本論文第一作者,通訊作者為青島科技大學宗魯副教授。 


1. 用于高性能AWH裝置的SCNCPA based –EF的制備及微觀結構示意圖 


2. 纖維素納米晶與聚丙烯酸高效接枝制備聚電解質化纖維素納米晶SCNCPA 


3. 聚電解質化纖維素納米晶SCNCPA的快速再分散和凝膠化特性


4. 基于聚電解質化纖維素納米晶SCNCPA與彈性織物EF制備高性能AWHSCNCPA based –EF)的工藝、機理和集水性能探究 


5.SCNCPA based –EF在水果保鮮和空氣濕度管理等方面的應用潛力


  研究人員展示了一種基于聚電解質化的纖維素納米晶和彈性織物復合的新型吸附劑SCNCPA based -EF,用于制備高性能AWH和空氣濕度管理。先進的設計原理包括:(1SCNCPA表面具有豐富的極性基團,包括?OH?COOH?OSO3H ~ 12 mmol g?1,這為其與水分子的強相互作用提供了強有力的支撐,有助于其快速捕獲水分子;(2)吸水后SCNCPA形成的網絡結構為內外水的輸送提供了通道,有助于保持表面的不飽和性3聚電解質SCNCPA表面含有COO?Na+Li+離子,提供較大的滲透壓差,驅動表面水通過擴散向內部轉移,導致SCNCPA層凝膠化并發生溶脹,從而儲水。基于此,SCNCPA based -EF在低濕度(30% RH)環境中展現了出色的平衡吸水量和快速的吸水/解吸動力學,為高性能AWH裝置設計和應用提供了一種新型吸附型基體材料。


  此研究工作得到國家自然科學基金項目(51903134)和北京化工大學有機無機復合材料國家重點實驗室開放基金項目(oic-202201009)的支持。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.4c00121

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