近日，江南大學付少海教授、福州大學賴躍坤教授報道了一種基于親/疏水核殼結構氣凝膠的大氣水收集材料（Core-Shell@CNF）。2023年8月11日，該研究成果以“ Bio-inspired core-shell structural aerogel with programmable water release capacity for efficient solar thermoelectricity-freshwater cogeneration ” 為題發(fā)表在 Matter 期刊上，第一作者為江南大學博士生余治華，通訊作者為江南大學付少海教授、福州大學賴躍坤教授。
水資源短缺給人類的生產帶來了巨大挑戰(zhàn)，預計到2050年，全球缺水人數將達到50億。相關研究統計表明，空氣中的水氣資源含量約為12,900立方千米。因此，大氣水收集技術受到研究人員的廣泛關注，特別是對于干旱沙漠或少雨地區(qū)，大氣水收集成為捕獲淡水的有效方法之一。目前，將吸濕鹽負載在多孔基質內部的大氣水收集材料取得了一些進展。然而，多孔基質內部孔道的容積有限，隨著吸濕時間的增加，其內部所捕獲的液態(tài)水易發(fā)生滲漏，并帶走一部分吸濕鹽，從而導致樣品的吸濕能力下降。
圖1：親/疏水核殼氣凝膠示意圖。
在濕度較高的夜晚，材料可以從空氣中吸收水分子（左）。在溫度較高的白天，材料可以將捕獲到的水以水蒸氣的形式釋放出來。
這種基于親/疏水核殼結構氣凝膠的大氣水收集材料（Core-Shell@CNF）由負載炭黑的多孔疏水殼層以及負載吸濕鹽氯化鋰的親水核層組成。在大氣水收集過程中，氣凝膠的吸濕核層可以從空氣中直接吸收水分子，而疏水殼層可以在傳輸水分子的同時阻止內部核層所捕獲到的液態(tài)水的滲漏。
值得注意的是，氣凝膠外層的多孔疏水殼層的孔徑大小應該在一個范圍內。當孔徑過小的情況下，水分子難以透過疏水殼層，其最小孔徑與水分子的平均自由程相關，約57nm。而當孔徑過大的情況下，其內部的液態(tài)水容易發(fā)生滲漏，其最大孔徑與內部水溶液的靜水壓及表面張力相關，在外部殼層的接觸角為120°的情況下，其最大孔徑約為1490 μm。
圖2：Core-Shell@CNF的設計策略。
圖3：Core-Shell@CNF的吸濕機理。
圖4：Core-Shell@CNF的吸濕及防滲漏性能。
圖5：Core-Shell@CNF的蒸發(fā)性能。
此外，為了充分利用太陽光照所產生的余熱，將Core-Shell@CNF與商用熱電發(fā)電機相結合，能在大氣水生產的同時，產生~18.12V/m2的電壓。
圖6：Core-Shell@CNF與商用熱電發(fā)電機結合后的發(fā)電性能。
來源：化學與材料科學