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馬里蘭大學(xué)李騰教授 Nano Energy：純天然環(huán)保高效“空氣取水”
2023-03-28  來(lái)源：高分子科技

  水是生命之源，但如何獲得安全的飲用水仍然是一項(xiàng)全球性的挑戰(zhàn)。目前全世界仍約有22億人無(wú)法獲得安全的飲用水。大氣層中富含水分，預(yù)計(jì)儲(chǔ)存有相當(dāng)于地球上所有湖泊淡水量的10%的水分， 總量超過(guò)1000億噸。預(yù)計(jì)通過(guò)大氣集水，或可為約10億人提供安全飲用水，是應(yīng)對(duì)缺水的潛在有效解決方案。然而，此前研究報(bào)道的硅膠、沸石和金屬有機(jī)框架等材料，存在水分捕獲能力低和制造過(guò)程昂貴等問(wèn)題。近日，美國(guó)馬里蘭大學(xué)李騰教授課題組基于純天然材料，摻雜低廉高效的LiCl吸水劑，構(gòu)建了一種純自然驅(qū)動(dòng)的，無(wú)需其他能量輸入的，在非干旱和干旱環(huán)境中都具有強(qiáng)大氣集水能力的純天然環(huán)保材料。


圖1 制備純天然環(huán)？諝饧牧系姆椒捌浼阅苁疽鈭D。


  該純天然環(huán)保空氣集水材料可從空氣相對(duì)濕度為90%的大氣中吸收超過(guò)其重量670%的水分，并在陽(yáng)光照射下1小時(shí)內(nèi)迅速釋放95%的吸收水分。在干旱環(huán)境(30%RH)和非干旱環(huán)境(30%-60%RH)中，日產(chǎn)水量分別為1.24g g-1 day-1和2.83g g-1 day-1，優(yōu)于現(xiàn)有的吸水材料。該復(fù)合材料環(huán)保無(wú)毒，有望為大氣集水提供可行且高效的綠色方案。 


圖2 純天然環(huán)？諝饧牧系男螒B(tài)、紅外、紫外光譜分析和熱穩(wěn)定性分析。


  LiCl是一種在空氣中具有顯著潮解行為的可溶性鹽，可高效捕獲大氣中的水蒸氣。純天然環(huán)？諝饧牧现泻写罅柯(lián)通孔道，可容納大量LiCl，并形成LiCl納米顆粒及雪花狀晶體。此外，純天然環(huán)保空氣集水材料的三維多孔結(jié)構(gòu)在空氣和LiCl之間提供了更大的界面面積。因此，與大顆粒的LiCl晶體相比，純天然環(huán)？諝饧牧暇哂懈叩奈，可在有限時(shí)間內(nèi)收集更大量的水。實(shí)驗(yàn)表明，純天然環(huán)保空氣集水材料初始吸水速度可達(dá)純LiCl晶體顆粒的13倍。 


圖3 商用LiCl顆粒和純天然環(huán)？諝饧牧显诓煌瑴y(cè)試條件下的集水性能。


  純天然環(huán)？諝饧牧险宫F(xiàn)出了良好的集水性能循環(huán)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在空氣相對(duì)濕度為90%，溫度為25℃的環(huán)境中，從第四次直至第十次吸水-放水循環(huán)開(kāi)始，泡沫可以保持單次循環(huán)集水性能最大值的85%直至第十次循環(huán)結(jié)束。


  李騰教授課題組還設(shè)計(jì)制備了基于純天然環(huán)保空氣集水材料的一體化裝置。實(shí)驗(yàn)表明，該裝置適用于不同光照環(huán)境，在一個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)度照射下可在1h內(nèi)釋放95%的吸收水。該裝置可循環(huán)吸脫水，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。紅外熱成像的結(jié)果表明，純天然環(huán)？諝饧牧暇哂懈咝У墓鉄徂D(zhuǎn)換能力，可在2min內(nèi)快速升溫至40℃。將該裝置應(yīng)用于自然環(huán)境集水，結(jié)果表明，在經(jīng)過(guò)7個(gè)吸脫水循環(huán)后，純天然環(huán)保空氣集水材料可在干旱環(huán)境（30%RH）中日集水1.24 g g-1，在非干旱環(huán)境（30%-60%RH）中日集水2.88 g g-1，展示了一種潛在可行、高效、且環(huán)保的大氣集水解決方案。 


圖4 在不同光強(qiáng)條件下純天然環(huán)？諝饧牧系乃尫判阅芤约盎诩兲烊画h(huán)？諝饧牧系囊惑w化裝置的集水效率。


  論文信息：

  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


作者簡(jiǎn)介：

  馬里蘭大學(xué)李騰教授團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于高性能可持續(xù)材料、軟材料、低維納米材料、原子尺度催化劑、能源存儲(chǔ)材料等的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature, Science, Nature Review Materials, Nature Nanotechnology, Nature Sustainability, PNAS, PRL, JACS等國(guó)際頂級(jí)期刊，并于2022年榮獲馬里蘭大學(xué)系統(tǒng)校董杰出科研創(chuàng)新獎(jiǎng)， 2019年馬里蘭大學(xué)年度發(fā)明獎(jiǎng)（物理科學(xué)領(lǐng)域），2018年榮獲被譽(yù)為“國(guó)際發(fā)明創(chuàng)造奧斯卡”的R&D100大獎(jiǎng)，2016年榮獲國(guó)際工程科學(xué)學(xué)會(huì)青年科學(xué)家獎(jiǎng)?wù)隆＠铗v教授現(xiàn)任馬里蘭大學(xué)先進(jìn)可持續(xù)材料與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任，Extreme Mechanics Letters副主編，李騰教授在2006年和哈佛大學(xué)鎖志剛教授共同發(fā)起創(chuàng)建iMechanica.org,目前已經(jīng)成為國(guó)際力學(xué)領(lǐng)域用戶(hù)最多的網(wǎng)絡(luò)資源平臺(tái)。
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