青科大张建明/宗鲁团队 ACS Mater. Lett.：聚电解质化纤维素纳米晶助力其再分散及高效湿气水收集

2024-02-18 来源：高分子科技

随着人口的增长和水污染的加重，全球淡水资源日益紧缺。大气集水技术（AWH）不受区域限制，可以为内陆和偏远地区分散式提供淡水资源，具有巨大的应用前景。AWH可以通过亲水界面收集雾滴、通过冷却技术收集露珠或者通过吸附剂捕获-释放水。雾滴和露水采集需要较高的相对湿度或大量的能量。基于吸附剂的AWH（SAWH）通过设计吸附剂材料的结构与组成，利用物理（微纳米结构）或者化学（极性基团、静电吸引）等与空气中自由的水分子相互作用，吸附或者吸收水，可以实现低湿度下（＜30 RH %）高效集水。目前主要以吸水性高分子和高吸湿性无机盐复合来制备吸附剂。然而，吸水性高分子表面极性基团含量有限，在空气中难以直接吸收水分子，通常需要负载大量的无机盐，这导致复合吸附剂存在着集水效率低和无机盐易泄露等问题。提高吸水性高分子表面的极性基团含量，可提高吸附剂与水分子的相互作用，有助于解决SAWH的集水效率和安全稳定性等问题。

近日，青岛科技大学张建明教授、宗鲁副教授团队利用自由基接枝聚合和溶液浸渍策略，以纤维素纳米晶和聚丙烯酸为功能单元，通过聚合物接枝制备聚电解质化纤维素纳米晶SCNCPA，复合吸附剂表面高含量的极性基团和纤维素网络运输通路等特性制备用于高效集水的新型吸附剂材料SCNCPA based -EF。得益于高接枝率~ 206%，刚性的SCNCPA网络配以高度羧基化的表面~ 11.5 mmol g^?¹，具有足够的物理吸附和化学吸附位点，可以快速捕获低湿度空气中的水。同时以弹性织物EF为骨架，辅以少量的吸湿盐~ 20 wt %，SCNCPA based-EF AWH装置表现出优异的AWH性能，在30% RH的条件下，可以实现约为1.27 g g^?¹的平衡吸水量，并可在30 min 内完全解吸，每天可生产出约8.4 L kg^?¹的淡水。这一策略为AWH系统的可持续和有价值的设计提供了新的见解。相关工作以题为“Polyelectrolytic Cellulose Nanocrystals Enabled Efficient Atmospheric Water Harvesting”的研究性论文发表在国际著名期刊ACS Materials Letters上（DOI：10.1021/acsmaterialslett.4c00121）。青岛科技大学高分子学院硕士研究生卢云洁为本论文第一作者，通讯作者为青岛科技大学宗鲁副教授。

图1. 用于高性能AWH装置的SCNCPA based –EF的制备及微观结构示意图

图2. 纤维素纳米晶与聚丙烯酸高效接枝制备聚电解质化纤维素纳米晶SCNCPA

图3. 聚电解质化纤维素纳米晶SCNCPA的快速再分散和凝胶化特性

图4. 基于聚电解质化纤维素纳米晶SCNCPA与弹性织物EF制备高性能AWH（SCNCPA based –EF）的工艺、机理和集水性能探究

图5.SCNCPA based –EF在水果保鲜和空气湿度管理等方面的应用潜力

研究人员展示了一种基于聚电解质化的纤维素纳米晶和弹性织物复合的新型吸附剂SCNCPA based -EF，用于制备高性能AWH和空气湿度管理。先进的设计原理包括：（1）SCNCPA表面具有丰富的极性基团，包括?OH、?COOH、?OSO₃H ~ 12 mmol g^?¹，这为其与水分子的强相互作用提供了强有力的支撑，有助于其快速捕获水分子；（2）吸水后SCNCPA形成的网络结构为内外水的输送提供了通道，有助于保持表面的不饱和性；（3）聚电解质SCNCPA表面含有COO^?、Na⁺、Li⁺离子，提供较大的渗透压差，驱动表面水通过扩散向内部转移，导致SCNCPA层凝胶化并发生溶胀，从而储水。基于此，SCNCPA based -EF在低湿度（30% RH）环境中展现了出色的平衡吸水量和快速的吸水/解吸动力学，为高性能AWH装置的设计和应用提供了一种新型的吸附型基体材料。

此研究工作得到国家自然科学基金项目（51903134）和北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室开放基金项目（oic-202201009）的支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.4c00121

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（责任编辑：xu）

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