【DAC集水材料】生物质衍生水海绵用于超高效大气集水

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上海理工大学能源与动力工程学院王佳韵、上海交通大学机械与动力工程学院王如竹等在《Advanced Functional Materials》2025 年第 2500679 期（DOI: 10.1002/adfm.202500679）中报道了一种新型生物质基水海绵材料 CPPY@LiCl，通过结合化学与物理发泡工艺，构建了具有 70% 孔隙率的多孔网络结构。该材料通过三重交联聚合物（羧甲基壳聚糖、聚谷氨酸、聚乙烯吡咯烷酮）与光热添加剂聚吡咯复合，实现了超高储水能力（40 g/g）和低脱附能耗（比纯水低 40%）。负载 LiCl 的 CPPY@LiCl 在 30%、60%、80% 相对湿度（RH）下的吸水率分别达 1.64、2.65、4.21 g/g，并在 50℃下快速脱附。通过批次处理策略，该材料在自然阳光下实现了 6.29 L/m²/ 天的集水效率，为解决全球淡水短缺提供了可持续方案。

研究背景
1.行业问题
大气集水技术（SAWH）因环境适应性强被视为解决淡水短缺的重要途径，但现有吸附剂存在高能耗问题（如 MOFs 合成成本高、水凝胶脱附困难），限制了其实际应用。
传统吸附剂中水的结合形式以强氢键束缚的 “束缚水” 为主，脱附需消耗大量能量。
2.研究现状
MOFs 材料：如 MOF-801 和 MOF-303 在低湿度下表现出一定集水能力（如 0.45 g/g at 20% RH），但合成成本高且对湿度波动适应性差。
水凝胶材料：如 PNIPAM 凝胶（储水量 23 g/g）和纳米多孔水凝胶（吸水率 420%）在高湿度下有效，但低湿度性能不足。
盐基复合材料：如 LiCl@rGOSA（1.52 g/g at 30% RH）和 PAMPS-CNT-LiCl（产水率 2.4 L/m²/ 天）通过盐的吸湿性提升性能，但脱附能耗仍较高。
3.本文创新
结构设计：开发三重交联生物质基水海绵 CPPY，结合水凝胶高储水能力与海绵快速传质特性，通过物理 / 化学发泡形成连通孔道（孔隙率 70%）。
水态调控：通过聚合物网络设计，使水以 “中间水” 和 “自由水” 为主，降低脱附能垒（蒸发焓 1492 J/g，比纯水低 40%）。
光热协同：引入聚吡咯增强光热转换能力，实现太阳能驱动下的高效脱附（0.6 Sun 光照下 60 分钟脱附 50% 水）。

实验和分析
1.材料合成与表征
合成方法：以羧甲基壳聚糖（CMCS）、聚谷氨酸（PGA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为原料，通过 EDC/NHS 活化形成酰胺键和氢键交联网络，加入聚吡咯（PPY）后冻干成型，再负载 LiCl 制得 CPPY@LiCl。
关键表征：
SEM：显示微纳米级多孔结构，孔径 20–50 μm，孔隙率 70%（图 1c,d）。
Raman 光谱：证实水以中间水（3574 cm⁻¹）和自由水（3256 cm⁻¹）为主（图 3f,g）。
DSC：计算蒸发焓为 1492 J/g，显著低于纯水（2450 J/g）。
2.性能测试
吸附能力：在 30%、60%、80% RH 下吸水率分别为 1.64、2.65、4.21 g/g，优于多数报道材料（图 4g,h）。
脱附效率：50℃下 2 小时脱附 60% 水，90℃下 30 分钟完全脱附（图 4e）。
循环稳定性：6 次循环后吸附量保持稳定（图 4i），UV 加速老化后性能衰减仅 10%。
3.机理分析
多孔结构：连通孔道促进水扩散与存储，同时为 LiCl 提供负载位点。
水态调控：聚合物网络中羧基、氨基等极性基团通过氢键捕获水，形成弱束缚的中间水，降低脱附能耗。
光热效应：PPY 吸收光能转化为热能，加速水蒸发，实现低能耗脱附。

总结
1. 开发了一种生物质基水海绵材料 CPPY@LiCl，实现了宽湿度范围（20%–90% RH）高效集水（1.36–5.93 g/g）。
2. 结合批次处理策略，在自然阳光下产水率达 6.29 L/m²/ 天，水质符合 WHO 标准。
3. 首次提出 “水海绵” 概念，平衡水凝胶高储水与海绵快速传质特性。通过调控水的结合形式（中间水为主），显著降低脱附能耗。
4. 为低成本、可持续的大气集水技术提供新材料体系，适用于干旱地区淡水资源获取。

Biomass-Derived Hydro-Sponge for Ultra-Efficient Atmospheric Water Harvesting
文章作者：Bowen Lin, Wenjun Ying, Chunfeng Li, Jinzhu Liu, Longkun Zhou, Hua Zhang, Ruzhu Wang, Jiayun Wang
DOI：10.1002/adfm.202500679
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202500679

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