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ACS Materials Letters期刊封面刊登制冷所论文“超级空气取水的二元亲水聚合盐新型水凝胶材料” 
发布时间:2019-05-06

近日,制冷与低温工程研究所(以下简称“制冷所”)王如竹教授领衔的能源-空气-水创新团队(Innovative Team for Energy, Water & Air,ITEWA)在美国化学会新刊ACS Materials Letters上发表了题为“Super atmospheric water harvesting hydrogel with alginate chains modified with binary salts”的论文,首次提出了一种结合了二元亲水聚合盐(Bina)与功能化多壁碳纳米管(FCNT),具有吸附容量大、蒸发效率高、结构稳定、制备简单、成本低廉等显著优势的复合吸水水凝胶材料,并通过实验证实了这种新型材料在应用于太阳能驱动空气取水设备时的优异性能。论文第一作者是制冷所外籍博士Akram Entezari,另一位外籍在读博士Mojtaba Ejeian也参与了此项研究工作;通讯作者是王如竹教授。该文为ACS Materials Letters当期封面论文。

 

期刊封面:新型吸水水凝胶材料Bina/FCNT的吸附-解吸循环及空气取水原理示意图

 

使用更加亲水的锂和钙离子取代钠离子来填充G块和M块,制与FCNT相结合的C/FCNT, L/FCNT和二元Bina/FCNT三种水凝胶

 

空气中的含水量可以达到整个地球上所有湖泊总水量的10%,而空气取水(Atmospheric Water Harvesting,AWH)在缓解全球水资源短缺问题上具有广阔的应用前景。海藻酸钠是一种含有β-D-甘露糖醛酸根(M块)和α-L-古罗糖醛酸根(G块)的线性共聚物,可以具有不同的G/M比例。文章使用了更加亲水的锂和钙离子取代钠离子来填充G块和M块,制成了二元亲水聚合盐(Bina),并与FCNT相结合。在此新型吸水材料Bina/FCNT中,未反应的盐可以在很宽的相对湿度(Relative Humidity,RH)范围内快速吸收空气中的水分,而其中的FCNT主要用来高效吸收阳光并将太阳能转换为热能用于解吸出水。除此之外,FCNT还能保持此材料多孔结构的均一性、完整性和稳定性。实验数据表明,每克此材料在70%RH条件下吸水量可以高达5.6g,即使在更加干燥的20%RH条件下也能达到1.4g。

 

用于实验测试的太阳能空气取水装置

 

研究发现Bina/FCNT水凝胶吸水能力强,动态性能好,但是也容易液解。为了避免液解,实际使用中可以缩短吸附时间。为了实际测试Bina/FCNT的取水性能,此项研究专门设计制作了一个便携式被动太阳能蒸发器,采用双斜面的结构以取得更高的太阳能吸收效率。实验结果表明,Bina/FCNT的结构和性能在高达80℃的温度条件下依然保持稳定,并且当解吸温度设置为70℃时装置的单位产水能耗较低(13.3kJ/ml)。另外,在对水质的检测中发现,尽管离子浓度与解吸温度直接相关,但是检测到的取水水质始终符合饮用水需求。研究证明新型Bina/FCNT吸附剂在基于吸附的可移动分布式淡水生产技术领域的应用前景十分广阔。

 

该研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体项目(51521004)的资助。王如竹教授领衔的ITEWA团队近2年来已经陆续在Joule、Advance Materials、Energy & Environmental Science、Angwandt Chemie、Energy Storage Materials等期刊上发表了10篇论文。该团队致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术,旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统多个层面的整体解决方案,推动相关领域取得突破性进展。

 

附:ACS Materials Letters期刊简介 

 

ACS Materials Letters是美国化学会旗下的材料领域新刊,主要刊登材料学科和其他领域交叉学科(化学、工程、生物等)的基础性和应用性的研究成果。

 

论文链接:

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