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東華大學覃小紅教授、張雪萍研究員 Adv. Mater.：高效穩定超吸濕海綿用于可持續的大氣水收集與發電

2024-11-12 來源：高分子科技

太陽能驅動的吸附式空氣取水（SAWH）技術，作為一種前景廣闊的方法，為解決干旱地區水資源短缺問題提供了有效途徑。其性能的優劣主要取決于吸附劑的吸濕能力。高負載量的鹽基復合吸附劑在低濕度條件下展現出優異的吸濕能力，是目前較為常用的吸濕材料。然而，高鹽含量在長期吸濕過程中可能引發鹽泄漏風險。為應對這一挑戰，一些研究提出了改變吸附劑結構的策略，如采用封裝和夾層結構等。然而，這些方法的制備過程相對復雜，能耗較高，同時它們還增加了吸濕性鹽與空氣接觸的阻礙，還可能導致吸濕性鹽分散不均和團聚現象，進而降低吸濕能力和動力學性能。因此，探索一種簡便的方法，以開發出具有適當鹽含量且鹽分布均勻的復合吸附劑，顯得尤為重要。另一方面，在SAWH過程中，會產生大量的額外熱量，包括吸附熱和未充分利用的太陽熱能。這些熱量往往被忽視，但考慮到干旱地區普遍存在的電力短缺問題，設計一種能夠利用這些熱量進行發電并同時生產淡水的系統，無疑具有重要意義。這樣的系統不僅能夠提高能源利用效率，還能為干旱地區提供可持續的電力和淡水資源，從而有效應對水資源短缺和能源短缺的雙重挑戰。

基于此，東華大學覃小紅教授和張雪萍研究員開發了一種簡單的集成策略來合成基于氯化鋰(LiCl)的超吸濕海綿。這一方法摒棄了傳統的浸漬法，轉而采用在三聚氰胺海綿上利用多巴胺(DA)聚合過程固定氯化鋰（簡稱PMS）的新途徑。通過多巴胺分子中的-OH和-NH₂基團與氯化鋰發生螯合作用，實現LiCl在海綿中的均勻穩定固定，顯著提升吸濕性能。加入碳納米管(CNTs)后形成的LiCl/PMS/CNTs復合海綿具有三維多孔結構，吸濕動力學優異，在相對濕度15%、30%和60%下，平衡吸濕量分別為1.26、1.81和3.13 g g^-1。此外，在1.0倍太陽輻射的照射下，LiCl/PMS/CNTs復合海綿能夠在短短70分鐘內迅速釋放出其吸附水分的90%。在模擬的干旱環境（30℃，30%相對濕度）下，基于LiCl/PMS/CNTs的水收集器實現了驚人的日產量，達到了3.47 kg kg^-1 day^-1。為了充分利用吸濕/解吸過程中產生的低品位熱量，作者成功地將LiCl/PMS/CNTs復合海綿與熱電模塊相結合，打造出了一個兼具淡水生產和電力供應功能的雙功能裝置。該裝置在吸濕和解吸過程中分別展現出了35.4 mW m^-2和454.4 mW m^-2 的最大輸出功率密度，標志著在能源和水資源雙重短缺背景下的一種高效且可持續的解決方案的誕生。該成果以題為“Super Moisture-Sorbent Sponge for Sustainable Atmospheric Water Harvesting and Power Generation”發表在《Advanced Materials》上，郭瀚宇博士生為第一作者，覃小紅教授、張雪萍研究員為通訊作者。

1.LiCl/PMS/CNTs的制備與表征

作者采用集成策略，將多巴胺(DA)、氯化鋰(LiCl)和碳納米管(CNTs)結合在三維多孔的三聚氰胺海綿(MS)上。多巴胺因富含-OH和-NH₂基團，能與LiCl螯合，并自發聚合為聚多巴胺(PDA)，均勻沉積于MS表面（形成PMS）。此過程既確保LiCl顆粒均勻固定，又促進CNTs有效分散。為驗證此螯合作用，使用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和X射線光電子能譜(XPS)表征。FTIR顯示PDA成功聚合，XPS則證實DA與LiCl的螯合，包括Li-O和Li-N螯合物，使LiCl牢固均勻固定于MS表面。

圖1. LiCl/PMS/CNTs的制備與表征

2. LiCl/PMS/CNT的吸濕性能

LiCl/PMS/CNTs復合海綿利用LiCl與多巴胺的螯合作用，相比直接浸漬法制得的LiCl/MS/CNTs，吸濕率和速率更優，驗證了策略的有效性。在15%、30%和60%相對濕度下，該材料分別190分鐘、160分鐘和220分鐘內達吸濕平衡，吸濕量分別為1.26、1.81和3.13 g g^-1，首小時吸濕速率高達0.74、1.36和2.59 g g^-1 h^-¹，尤其在干燥氣候下表現卓越。此外，該海綿因螯合作用而具有高循環穩定性，35次循環后性能無明顯衰退。

圖2. LiCl/PMS/CNT的吸濕性能

3. LiCl/PMS/CNTs的解吸性能

作者在光熱的條件下對超吸濕海綿的解吸性能進行了研究。結果顯示，在250至2500 nm波長范圍內，LiCl/PMS/CNTs復合材料展現出了卓越的太陽光吸收能力，其吸收率高達約95%。在標準太陽輻射強度（1.0倍太陽輻射）下，該復合材料能夠在短短70分鐘內釋放出約90%的吸附水分，這一速度遠超多數已報道的基于LiCl的復合材料。更令人印象深刻的是，即便在低光強輻射條件（僅為0.6倍太陽輻射）下，LiCl/PMS/CNTs在100分鐘后仍能釋放出高達75%的水分，充分展示了其出色的光熱轉換效率和水分釋放性能。

圖3. LiCl/PMS/CNTs的解吸性能

4. LiCl/PMS/CNTs的大氣集水性能

作者精心設計并制作了一個簡便易攜的集水裝置，并在模擬的干旱條件（30℃，相對濕度30%）下，通過周期性模擬陽光的暴露與遮擋，對該裝置進行了連續24小時的5次循環集水實驗。實驗結果顯示，經過這5次循環后，集水量高達3.47 kg kg^-1 day^-1，集水效率更是達到了86%，遠超多數已報道成果。為了確保收集到的水質安全可靠，水質分析顯示，離子濃度、總有機碳（TOC）及總氮（TN）均遠低于WHO安全標準，證明水質優良，完全符合飲用水安全要求。

圖4. LiCl/PMS/CNTs的大氣集水性能

5. 同時進行大氣水收集和發電

作者用紅外攝像監測LiCl/PMS/CNTs復合材料吸濕時的溫度變化，LiCl/PMS/CNTs的表面溫度在短短30秒內即從20 ℃迅速上升至約31 ℃。若未能妥善管理，這部分能量將逐漸耗散至周遭環境之中。為了有效利用太陽能驅動的大氣水收集（SAWH）過程中蘊含的低品位熱能資源——包括吸附熱及多余的太陽能熱能，作者將LiCl/PMS/CNTs材料與熱電（TE）模塊相結合，構建了一個集大氣水收集與發電功能于一體的裝置。在材料的吸附與解吸循環過程中，我們分別測得的最大輸出功率密度高達35.4 mW m^-2和454.4 mW m^-2。尤為值得一提的是，該裝置在歷經多次吸附-解吸循環后，其性能依然保持穩定，有力證明了其具備長期、持續地從空氣中捕獲水分并同步產生電能的能力。

圖5. 同時進行大氣水收集和發電

綜上所述，作者開創性地提出了一種既簡潔又高效的集成策略，該策略巧妙地利用了氯化鋰（LiCl）與多巴胺（DA）之間的螯合作用，以及多巴胺在三聚氰胺海綿（MS）基質上的同步聚合反應，成功制備出了一種氯化鋰分布均勻且結構穩定的鹽基復合吸附劑。所得到的LiCl/PMS/CNTs海綿，憑借其獨特的三維互連多孔結構，在相對濕度（RH）分別為15%、30%和60%的條件下，展現出了卓越的吸濕性能，吸濕率分別高達1.26、1.81和3.13 g g^-1，特別是在相對濕度為30%的環境下，其第一小時的吸濕速率更是達到了驚人的1.36 g g^-1 h^-1。此外，LiCl/PMS/CNTs在1.0個太陽光照強度下，僅需70分鐘即可釋放出其吸附水分的90%，這一速度遠超當前已報道的其他氯化鋰基復合材料。

在模擬的干旱條件（30℃，30% RH）下，基于LiCl/PMS/CNTs的集水裝置展現出了非凡的產水能力，日產量高達3.47 kg kg^-1 day^-1。更令人振奮的是，作者成功地將LiCl/PMS/CNTs海綿與熱電模塊相結合，構建了一個功能全面的雙系統，該系統能夠高效地利用集水過程中產生的熱量，實現了淡水與電力的同步生產。這一創新性的工作不僅為開發便攜式、低成本、高產量的太陽能驅動SAWH系統提供了全新的思路，同時也為更合理的水電聯產探索出了新的途徑。

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202414285

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（責任編輯：xu）

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