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近日，制冷與低溫工程研究所（以下簡(jiǎn)稱“制冷所”）王如竹教授領(lǐng)銜的能源-空氣-水創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（Innovative Team for Energy, Water & Air，ITEWA）在美國(guó)化學(xué)會(huì)新刊ACS Materials Letters上發(fā)表了題為“Super atmospheric water harvesting hydrogel with alginate chains modified with binary salts”的論文，首次提出了一種結(jié)合了二元親水聚合鹽（Bina）與功能化多壁碳納米管（FCNT），具有吸附容量大、蒸發(fā)效率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、制備簡(jiǎn)單、成本低廉等顯著優(yōu)勢(shì)的復(fù)合吸水水凝膠材料，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種新型材料在應(yīng)用于太陽能驅(qū)動(dòng)空氣取水設(shè)備時(shí)的優(yōu)異性能。論文第一作者是制冷所外籍博士Akram Entezari，另一位外籍在讀博士Mojtaba Ejeian也參與了此項(xiàng)研究工作；通訊作者是王如竹教授。該文為ACS Materials Letters當(dāng)期封面論文。
期刊封面：新型吸水水凝膠材料Bina/FCNT的吸附-解吸循環(huán)及空氣取水原理示意圖
使用更加親水的鋰和鈣離子取代鈉離子來填充G塊和M塊，制與FCNT相結(jié)合的C/FCNT, L/FCNT和二元Bina/FCNT三種水凝膠
空氣中的含水量可以達(dá)到整個(gè)地球上所有湖泊總水量的10%，而空氣取水（Atmospheric Water Harvesting，AWH）在緩解全球水資源短缺問題上具有廣闊的應(yīng)用前景。海藻酸鈉是一種含有β-D-甘露糖醛酸根（M塊）和α-L-古羅糖醛酸根（G塊）的線性共聚物，可以具有不同的G/M比例。文章使用了更加親水的鋰和鈣離子取代鈉離子來填充G塊和M塊，制成了二元親水聚合鹽（Bina），并與FCNT相結(jié)合。在此新型吸水材料Bina/FCNT中，未反應(yīng)的鹽可以在很寬的相對(duì)濕度（Relative Humidity，RH）范圍內(nèi)快速吸收空氣中的水分，而其中的FCNT主要用來高效吸收陽光并將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能用于解吸出水。除此之外，F(xiàn)CNT還能保持此材料多孔結(jié)構(gòu)的均一性、完整性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，每克此材料在70%RH條件下吸水量可以高達(dá)5.6g，即使在更加干燥的20%RH條件下也能達(dá)到1.4g。
用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的太陽能空氣取水裝置
研究發(fā)現(xiàn)Bina/FCNT水凝膠吸水能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)性能好，但是也容易液解。為了避免液解，實(shí)際使用中可以縮短吸附時(shí)間。為了實(shí)際測(cè)試Bina/FCNT的取水性能，此項(xiàng)研究專門設(shè)計(jì)制作了一個(gè)便攜式被動(dòng)太陽能蒸發(fā)器，采用雙斜面的結(jié)構(gòu)以取得更高的太陽能吸收效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Bina/FCNT的結(jié)構(gòu)和性能在高達(dá)80℃的溫度條件下依然保持穩(wěn)定，并且當(dāng)解吸溫度設(shè)置為70℃時(shí)裝置的單位產(chǎn)水能耗較低（13.3kJ/ml）。另外，在對(duì)水質(zhì)的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，盡管離子濃度與解吸溫度直接相關(guān)，但是檢測(cè)到的取水水質(zhì)始終符合飲用水需求。研究證明新型Bina/FCNT吸附劑在基于吸附的可移動(dòng)分布式淡水生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。
該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目（51521004）的資助。王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA團(tuán)隊(duì)近2年來已經(jīng)陸續(xù)在Joule、Advance Materials、Energy & Environmental Science、Angwandt Chemie、Energy Storage Materials等期刊上發(fā)表了10篇論文。該團(tuán)隊(duì)致力于解決能源、水、空氣交叉領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)多個(gè)層面的整體解決方案，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。
附：ACS Materials Letters期刊簡(jiǎn)介
ACS Materials Letters是美國(guó)化學(xué)會(huì)旗下的材料領(lǐng)域新刊，主要刊登材料學(xué)科和其他領(lǐng)域交叉學(xué)科（化學(xué)、工程、生物等）的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性的研究成果。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.9b00315
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