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前言介紹

在2022年1月16日，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校余桂華教授和魯恒毅博士等人在Adv. Mater.上發(fā)表了題為“Super Water-Extracting Gels for Solar-Powered Volatile Organic Compounds Management in Hydrological Cycle”的文章。在本文中，作者提出了一種去除含VOCs廢水的太陽能水凈化策略。超級吸水凝膠（SWEG）是一種多功能太陽能蒸發(fā)器，可以將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，從VOC水溶液中提取水，并產(chǎn)生潔凈的水蒸氣。由高度水合的海藻酸鹽組成的SWEGs具有超交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)（HPNs），且水分子穿透HPNs時將與硅藻酸鹽聚合物鏈形成強(qiáng)氫鍵網(wǎng)絡(luò)。SWEG可以抑制其飽和含水量，并在分子水平上將其中含的水完全管控，避免自由水的存在，從根本上不同于傳統(tǒng)水凝膠。

由于這種水-分子鏈氫鍵在熱力學(xué)上比水-VOC分子相互作用更穩(wěn)定，因此SWEG可以從VOC溶液中提取水，將VOC與蒸發(fā)前沿隔離，從而防止產(chǎn)生的水蒸氣受到污染?；赟WEG，太陽能蒸餾能實現(xiàn)高VOCs去除率，其中對苯酚的去除率超過99.0%、對三氯乙烯的去除率為99.99%，并在1 sun（1 kW m^-2）下達(dá)到1.4 kg m^-2 h^-1的水產(chǎn)量。與典型的基于膜的水凈化不同，基于SWEG的太陽能蒸餾器無需真空、膜再生和電力供應(yīng)。這些特征表明，SWEG的概念可以促進(jìn)下一代太陽能驅(qū)動的水凈化技術(shù)的發(fā)展，克服與VOCs造成的蒸汽污染相關(guān)的基本挑戰(zhàn)。

在相隔12天后，余桂華團(tuán)隊又在Angew. Chem. Int. Ed.上發(fā)表了題為“Polyzwitterionic Hydrogels for Efficient Atmospheric Water Harvesting”的文章！下面對這篇文章進(jìn)行簡要介紹。

成果展示

大氣集水（Atmospheric water harvesting, AWH）被認(rèn)為是可為內(nèi)陸和干旱地區(qū)提供可持續(xù)用水的淡水生產(chǎn)的有希望的策略之一。吸濕材料因其集水性能而受到廣泛關(guān)注，但是在實際使用中，大量無機(jī)鹽的引入往往會導(dǎo)致聚集和泄漏問題。

基于此，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校余桂華教授等人報道了一種可控制地負(fù)載吸濕性氯化鋰（LiCl）鹽的聚兩性離子水凝膠（polyzwitterionic hydrogel），以實現(xiàn)高效的大氣集水（AWH）。在抗聚電解質(zhì)的作用下，聚兩性離子水凝膠中的吸濕性鹽不僅有助于幫助捕獲水蒸氣，而且還可以提高溶解度和溶脹性能，從而提高水蒸氣吸附能力。通過合理調(diào)控LiCl的含量，所制備的水凝膠在相對濕度（RH）為30%下120 min內(nèi)顯示出0.62 g/g的優(yōu)異水蒸氣吸附能力。

此外，由于大分子鏈與鹽之間存在靜電相互作用，所制備的聚兩性離子水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，使其能夠進(jìn)行長時間的實際應(yīng)用。作為概念驗證，作者演示了在定制系統(tǒng)中，在30% RH下每天可以生產(chǎn)5.87 L kg^-1清潔淡水。該結(jié)果表明通過調(diào)整吸濕鹽和聚合物鏈之間的相互作用，為設(shè)計和制備下一代AWH材料提供了新的見解。

背景介紹

淡水資源短缺已成為全球面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一，迫切需要開發(fā)從各種水資源中獲取清潔水的技術(shù)。大氣水（Atmospheric water）被認(rèn)為是一種可靠的資源，其容量約為13萬億升，為從環(huán)境空氣中獲取水提供了機(jī)會，特別是對于偏遠(yuǎn)、內(nèi)陸地區(qū)和干旱地區(qū)。

其中，大氣集水（Atmospheric water harvesting, AWH）技術(shù)正在成為一種可持續(xù)提供淡水的方案?？紤]到全天候水分收集的要求，在水凝膠基質(zhì)中使用吸濕鹽被認(rèn)為是一種很有前途的改善保濕性能的策略。首先吸濕鹽捕獲水蒸氣并就地實現(xiàn)液化，然后液態(tài)水被轉(zhuǎn)移到水凝膠中。然而，水凝膠基質(zhì)中的高鹽含量可能會惡化水凝膠的水溶性和溶脹性，而影響AWH的綜合性能。

此外，由于鹽和大分子鏈之間缺乏相互作用，嵌入水凝膠中的鹽很容易泄漏到周圍環(huán)境中，導(dǎo)致相關(guān)器件的性能惡化和腐蝕。因此，在不影響溶脹性能的情況下，如何有效地加入吸濕性鹽，并在水凝膠中穩(wěn)定地鎖定鹽仍面臨著挑戰(zhàn)。兩性離子聚合物（zwitterionic polymers）是一類新型材料，在其聚合物鏈上具有帶相反電荷的陽離子和陰離子官能團(tuán)。它們表現(xiàn)出獨特的鹽響應(yīng)反聚電解質(zhì)效應(yīng)，其中鹽物種可以屏蔽帶相反電荷的官能團(tuán)之間的自締合效應(yīng)，而聚合物鏈在鹽溶液中表現(xiàn)出更多的拉伸構(gòu)象。

圖文速遞

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圖1. PDMAPS和PDMAPS-LiCl水凝膠的制備和溶脹性能

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圖2. PDMAPS-LiCl-1水凝膠和對照樣品的AWH性能

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圖3. PDMAPS-LiCl-1水凝膠中的鹽含量和狀態(tài)及對應(yīng)AWH性能

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圖4. 大氣水分和集水性能

小? 結(jié)

總之，作者開發(fā)了一類可控制地負(fù)載吸濕性LiCl的聚兩性離子水凝膠，以實現(xiàn)高效的AWH。由于抗聚電解質(zhì)的作用，添加的鹽可以捕獲水蒸氣，同時提高水凝膠的溶解度和溶脹性能。所制備的聚兩性離子水凝膠在25 ℃、RH=30%下，120 min內(nèi)具有0.62 g/g的水蒸氣吸附能力。同時，所制備的聚兩性離子水凝膠在實際收集系統(tǒng)中還可以產(chǎn)生5.87 L kg^-1清潔淡水。此外，由于配位鹽的存在，PDMAPS-LiCl水凝膠具有良好的穩(wěn)定性，使其能夠長期進(jìn)行實際應(yīng)用。這類具有獨特的鹽響應(yīng)特性的聚兩性離子水凝膠可以為設(shè)計和制備下一代AWH材料以解決水資源短缺挑戰(zhàn)提供了新的見解。

文獻(xiàn)信息

1. Super Water-Extracting Gels for Solar-Powered Volatile Organic Compounds Management in Hydrological Cycle. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202110548.

https://doi.org/10.1002/adma.202110548.

2. Polyzwitterionic Hydrogels for Efficient Atmospheric Water Harvesting.Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202200271.

https://doi.org/10.1002/anie.202200271.

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