作者:赖跃坤等 来源:《物质》 发布时间:2023/8/21 17:37:13
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具有可控水释放能力的亲/疏水核壳气凝胶用于大气水/电联产

 

近日,江南大学付少海教授/福州大学赖跃坤教授团队报道了一种基于亲/疏水核壳结构气凝胶的大气水收集材料(Core-Shell@CNF)。2023年8月11日,该研究成果以“Bio-inspired core-shell structural aerogel with programmable water release capacity for efficient solar thermoelectricity-freshwater cogeneration”为题发表在Matter期刊上,第一作者为江南大学博士生余治华,通讯作者为江南大学付少海教授、福州大学赖跃坤教授。

水资源短缺给人类的生产带来了巨大挑战,预计到2050年,全球缺水人数将达到50亿。相关研究统计表明,空气中的水气资源含量约为12,900立方千米。因此,大气水收集技术受到研究人员的广泛关注,特别是对于干旱沙漠或少雨地区,大气水收集成为捕获淡水的有效方法之一。目前,将吸湿盐负载在多孔基质内部的大气水收集材料取得了一些进展。然而,多孔基质内部孔道的容积有限,随着吸湿时间的增加,其内部所捕获的液态水易发生渗漏,并带走一部分吸湿盐,从而导致样品的吸湿能力下降。

图1:亲/疏水核壳气凝胶示意图。在湿度较高的夜晚,材料可以从空气中吸收水分子(左)。在温度较高的白天,材料可以将捕获到的水以水蒸气的形式释放出来。

在此,江南大学付少海教授/福州大学赖跃坤教授团队报道了一种基于亲/疏水核壳结构气凝胶的大气水收集材料(Core-Shell@CNF)。该材料由负载炭黑的多孔疏水壳层以及负载吸湿盐氯化锂的亲水核层组成。在大气水收集过程中,气凝胶的吸湿核层可以从空气中直接吸收水分子,而疏水壳层可以在传输水分子的同时阻止内部核层所捕获到的液态水的渗漏。

值得注意的是,气凝胶外层的多孔疏水壳层的孔径大小应该在一个范围内。当孔径过小的情况下,水分子难以透过疏水壳层,其最小孔径与水分子的平均自由程相关,约57nm。而当孔径过大的情况下,其内部的液态水容易发生渗漏,其最大孔径与内部水溶液的静水压及表面张力相关,在外部壳层的接触角为120°的情况下,其最大孔径约为1490 μm。

图2:Core-Shell@CNF的设计策略。

图3:Core-Shell@CNF的吸湿机理。

图4:Core-Shell@CNF的吸湿及防渗漏性能。

图5:Core-Shell@CNF的蒸发性能。

此外,为了充分利用太阳光照所产生的余热,将Core-Shell@CNF与商用热电发电机相结合,能在大气水生产的同时,产生~18.12V/m2的电压。

图6:Core-Shell@CNF与商用热电发电机结合后的发电性能。

(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.07.015

 
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