淡水資源短缺問題日益制約著(zhe)社會的發(fā)展甚至威脅著(zhe)人類的生存，已成(chéng)爲當今社會亟需解決的難題之一。傳統的淡水制備通常需要大量的能(néng)源供應及複雜龐大的設備要求，因此很難普及。近年來，作爲一種(zhǒng)簡單、有效的途徑，通過(guò)合理設計的光熱蒸發(fā)器利用綠色、可持續的太陽能(néng)來驅動豐富的海水資源轉變成(chéng)淡水已成(chéng)爲研究的熱點。中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所陳濤研究員、肖鵬副研究員前期發(fā)展了一系列用于光熱淡水收集的高分子複合材料(Nano Energy, 2020, 68, 104311; Nano Energy, 2020, 68, 104385; ACS Sustain. Chem. Eng., 2020, 8, 13, 5328; Nano Energy 2019, 60, 841; ACS Appl. Mater. Inter. 2019, 11, 15498; Solar RRL 2019, 3, 1900004等)。除了豐富的海水資源，地球大氣中也存在著(zhe)巨大的水汽資源（約50000 km3），雖廣泛分布缺很少被(bèi)利用。通過(guò)材料在空氣中吸濕，進(jìn)而在太陽能(néng)作用下實施光熱蒸發(fā)，以實現空氣集水的技術正在興起(qǐ)。
鐵蘭屬植物（Tillandsia Species）是一類典型的附生植物，其生存不依靠根莖從土壤中吸收水分，而通過(guò)其葉片直接從空氣中吸收水分即能(néng)很好(hǎo)存活。在葉片内部滲透壓的作用下，被(bèi)吸附的水分可實現從最外組織到内部網絡定向(xiàng)運輸，并最終儲存在葉片内部完善的組織系統内，以實現連續、快速的水分吸收（圖1）。
受此啓發(fā)，研究人員提出了一種(zhǒng)吸濕型光熱有機凝膠（POG），以實現太陽能(néng)驅動的光熱空氣制水。聚甲基丙烯酸鈉/丙烯酰胺的親水性共聚高分子水凝膠網絡可以將(jiāng)吸濕性的有機溶劑（甘油）容納其中。類似于鐵蘭植物，POG内吸濕性的甘油介質在滲透壓的作用下賦予其内部快速的水擴散，并通過(guò)聚合物鏈溶脹的形式將(jiāng)水儲存在其内部，最終實現POG連續、快速、高容量的吸濕性能(néng)。另外，通過(guò)實驗證明和理論分析，聚合物網絡上親水性的官能(néng)團也能(néng)協同增強POG的吸濕行爲。最終，在90％的相對(duì)濕度下，該POG在12小時内展現出6.12 kg/m2的吸濕性能(néng)，并具有16.01 kg/m2的超高平衡水分吸附（圖2-3）。另外，互穿的光熱高分子網絡聚吡咯-多巴胺（P-Py-DA）賦予POG優秀的光熱性能(néng)，可以實現可控的太陽能(néng)驅動的界面(miàn)水分釋放，以獲取被(bèi)吸附的水分（圖4a-b）。戶外實驗結果表明，該POG在實際的室外實驗中淡水日産量達到2.43 kg/m2，且收集到的淡水中的離子濃度的含量完全符合WHO和EPA的飲用水标準（圖4c-g）。本研究爲太陽能(néng)光熱空氣集水提供了一種(zhǒng)新的材料體系，且該有機凝膠的聚合物骨架和吸濕介質的選擇具有高度可設計性，後(hòu)期可通過(guò)更合理的設計進(jìn)一步的提高其空氣制水性能(néng)。
該工作以題爲“Tillandsia-inspired Hygroscopic Photothermal Organogels for Efficient Atmospheric Water Harvesting”的論文發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.，2020，DOI: 10.1002/anie.202007885。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51803226）、中科院前沿科學(xué)重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、博士後(hòu)創新人才支持計劃（BX20180321）、中國(guó)博士後(hòu)科學(xué)基金（2018M630695）及王寬誠國(guó)際交叉團隊（K.C.Wong Education Foundation (GJTD-2019-13））等項目的資助。
圖1 POG仿生策略的設計
圖2 POG的吸濕性能(néng)表征
圖3 POG的吸濕機理探究
圖4 a-b) POG的光熱蒸發(fā)性能(néng)；c-g) 基于POG獲得純淨水的戶外實驗
（高分子與複合材料實驗室 倪鋒）
