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        寧波材料所在Matter上發表綜述:吸濕性聚合物凝膠——向大氣“索取”淡水和能源
        作者:,日期:2022-09-11

          全球人口爆炸式的增長使得人們對于淡水和能源產生了巨大的需求。盡管近年來在發展水-能獲取的新技術方面取得了長足進步,但實現淡水和能源的可持續供給仍然存在重大挑戰。這要求我們必須繼續探索新的資源或技術,以豐富現有淡水和能源的來源和生產方式。由于全球水文循環,大氣中蘊藏著約12900km3的濕氣資源可以被用于制備淡水或進行能量管理,但卻常常被忽視。因此,合理利用這一巨大的濕氣資源,可為目前全球淡水和能源危機的緩解提供一種新的替代方案。大氣濕氣開發(atmospheric moisture exploiting,AME)技術可自發汲取空氣中的濕氣,進而通過水的利用實現淡水制備及能量管理等應用,因此被認為是一種具有前景的實現淡水和能源可持續的解決策略。在這方面,設計并開發新型功能性吸濕材料是實現AME技術迭代的關鍵核心之一。由于其高度可調的結構和性質,獨特的多孔結構和溶脹特性,以及易與功能材料有效集成等特點,以三維交聯聚合物網絡為特征的吸濕性聚合物凝膠(hygroscopic polymeric gels,HPGs)已逐漸成為一種理想的AME平臺材料,可將大氣中的濕氣資源有效地轉換為淡水和能源資源,展示出巨大的應用前景和研究價值。

          中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊陳濤研究員、肖鵬副研究員基于HPGs在吸濕聚合物凝膠開發及其在大氣濕氣資源開發方面的研究進展,在Matter上發表題為“Hygroscopic polymer gels toward atmospheric moisture exploitations for energy management and freshwater generation”的綜述文章(Matter 2022 5, 2624-2658,https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.010),系統回顧了HPGs的吸濕機制、構建策略以及其在水-能應用方面的系列進展,并概述了目前階段所面臨的挑戰和機遇。

          在該綜述中,作者首先闡釋了HPGs的吸濕機制,包括濕氣吸附和濕氣貯存,并系統總結了其物理結構和化學性質的一般設計原則。根據其凝膠材料結構和組成可將HPGs分為本征型HPGs和混合型HPGs。對于前者,無需引入額外的吸濕組份,僅通過調節單體或聚合物鏈的親水性,就能使聚合物凝膠網絡具有顯著的吸濕性能。更重要的是,通過在這些親水性凝膠網絡中構建多孔結構,可進一步改善其吸濕動力學。另外,通過各種摻雜策略,包括浸泡-干燥、離子交換、互穿網絡、原位共聚和溶劑置換等,將現有吸濕組份(固體干燥劑和液體吸濕劑)與凝膠網絡進行復合可得到混合型HPGs,最終表現出協同增強的吸濕性能。在列舉這些構筑策略的實例的同時,本綜述還相應總結了其構-效關系。作者系統回顧了近年來HPGs在濕氣裂解、吸濕-蒸發制冷、濕致發電、濕致變色、空氣取水及濕氣灌溉等水-能應用方面的最新進展。

          盡管HPGs在近年來發展勢頭強勁,但現階段仍存在一些問題和挑戰。例如,未來需要進一步提升其吸濕性能,尤其是在低濕度環境條件下,以期望在淡水和能源生產中發揮更大的輸出性能以滿足實際使用需求。同時,還需進一步提升HPGs的再生效率,通過對材料和器件結構的優化來實現對其所吸收濕氣的完全消耗,以再生其最大的吸濕能力。另外,在濕氣利用過程中,未來其物理結構(內部多孔結構坍塌)和化學結構(氣體雜質吸附)的穩定性也需要被進一步關注,以避免在其循環使用中出現性能的不可逆衰退。最后,HPGs的成本和宏量化生產是其進入大規模應用市場之前需要被考慮的兩個方面,因此未來需要開發更低成本的材料體系以及更大規?;纳a技術來提升其市場競爭力。

          該論文得到了國家自然科學基金(52073295)、寧波市科技局(2021Z127)、國家自然科學基金委中德交流項目(M-0424)、中國科學院前沿科學重點研發項目(QYZDB-SSW-SLH036)、中國科學院國際合作局 (174433KYSB20170061)、王寬誠教育基金(GJTD-2019-13)等項目的支持。

        HPGs的構建策略及其AME應用:向大氣“索取”淡水和能源

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