近日，江南大學(xué)付少海教授、福州大學(xué)賴躍坤教授報道了一種基于親/疏水核殼結(jié)構(gòu)氣凝膠的大氣水收集材料（Core-Shell@CNF）。2023年8月11日，該研究成果以“ Bio-inspired core-shell structural aerogel with programmable water release capacity for efficient solar thermoelectricity-freshwater cogeneration ” 為題發(fā)表在 Matter 期刊上，第一作者為江南大學(xué)博士生余治華，通訊作者為江南大學(xué)付少海教授、福州大學(xué)賴躍坤教授。
水資源短缺給人類的生產(chǎn)帶來了巨大挑戰(zhàn)，預(yù)計到2050年，全球缺水人數(shù)將達(dá)到50億。相關(guān)研究統(tǒng)計表明，空氣中的水氣資源含量約為12,900立方千米。因此，大氣水收集技術(shù)受到研究人員的廣泛關(guān)注，特別是對于干旱沙漠或少雨地區(qū)，大氣水收集成為捕獲淡水的有效方法之一。目前，將吸濕鹽負(fù)載在多孔基質(zhì)內(nèi)部的大氣水收集材料取得了一些進(jìn)展。然而，多孔基質(zhì)內(nèi)部孔道的容積有限，隨著吸濕時間的增加，其內(nèi)部所捕獲的液態(tài)水易發(fā)生滲漏，并帶走一部分吸濕鹽，從而導(dǎo)致樣品的吸濕能力下降。
圖1：親/疏水核殼氣凝膠示意圖。
在濕度較高的夜晚，材料可以從空氣中吸收水分子（左）。在溫度較高的白天，材料可以將捕獲到的水以水蒸氣的形式釋放出來。
這種基于親/疏水核殼結(jié)構(gòu)氣凝膠的大氣水收集材料（Core-Shell@CNF）由負(fù)載炭黑的多孔疏水殼層以及負(fù)載吸濕鹽氯化鋰的親水核層組成。在大氣水收集過程中，氣凝膠的吸濕核層可以從空氣中直接吸收水分子，而疏水殼層可以在傳輸水分子的同時阻止內(nèi)部核層所捕獲到的液態(tài)水的滲漏。
值得注意的是，氣凝膠外層的多孔疏水殼層的孔徑大小應(yīng)該在一個范圍內(nèi)。當(dāng)孔徑過小的情況下，水分子難以透過疏水殼層，其最小孔徑與水分子的平均自由程相關(guān)，約57nm。而當(dāng)孔徑過大的情況下，其內(nèi)部的液態(tài)水容易發(fā)生滲漏，其最大孔徑與內(nèi)部水溶液的靜水壓及表面張力相關(guān)，在外部殼層的接觸角為120°的情況下，其最大孔徑約為1490 μm。
圖2：Core-Shell@CNF的設(shè)計策略。
圖3：Core-Shell@CNF的吸濕機(jī)理。
圖4：Core-Shell@CNF的吸濕及防滲漏性能。
圖5：Core-Shell@CNF的蒸發(fā)性能。
此外，為了充分利用太陽光照所產(chǎn)生的余熱，將Core-Shell@CNF與商用熱電發(fā)電機(jī)相結(jié)合，能在大氣水生產(chǎn)的同時，產(chǎn)生~18.12V/m2的電壓。
圖6：Core-Shell@CNF與商用熱電發(fā)電機(jī)結(jié)合后的發(fā)電性能。
來源：化學(xué)與材料科學(xué)