目前，全球人口已達 80 億。據世界資源研究所報道，全球一半人口每年至少有一個月處於高度缺水狀態。全球水資源短缺問題的解決己迫在眉睫。幸運的是，大氣中蘊藏著豐富的水汽資源。吸附式空氣取水技術（SAWH）因其套用範圍廣、低碳環保等特性而備受關註。該技術利用吸附劑捕獲空氣中的水分子，再透過熱或其它能量驅動吸附態水的釋放，並透過冷凝實作對液態水的收集。因此，肩負著吞吐水蒸氣重任的吸附劑，是最佳化系統取水效能的關鍵。歷經了不斷地開發、最佳化和叠代，一大批新型吸附材料應運而生。然而，大多數具有高吸附能力的吸附劑存在或吸附/脫附速率低或再生效能差（如再生溫度高或光熱轉換效率低）。
近日，
浙江理工大學鄭旭副教授等聯合上海交通大學
王如竹教授
，以油菜花粉為多孔基質，采用自由基聚合方法，設計了一種具有溫敏和光熱雙重特性的嵌段共聚物，並輔以氯化鋰改性，作為水蒸氣的高效智慧復合吸附劑（Pollen-LiCl@PNIPAM-b-PPy），並用於空氣取水
。據悉，這種兼具溫敏和光熱雙重功能的高效智慧復合吸附劑是在吸附式空氣取水領域的首次報道。該吸附劑具有分層多孔結構（圖1），其中最外層的聚吡咯（PPy）能將光能轉化為熱能，第二層聚N-異丙基丙烯醯胺（PNIPAM）具有溫敏特性，可實作低溫脫附。同時，封裝的氯化鋰提高了材料的吸附能力，而花粉的空腔結構可以儲存捕獲的水分，避免液體的泄漏。研究團隊對材料的合成和表征、吸附和脫附特性、光熱轉換特性進行了深入研究，之後透過實驗室工況和戶外實地測試證實，只需進行3次吸附-解吸取水迴圈，就能實作高達 2.21 g水/g吸附劑的日產水量，且無需額外的加熱元件。這為太陽光的直接高效利用提供了新思路，能促進吸附式空氣取水技術的發展和落地。
這項研究成果以題為「Rape pollen-based composite sorbent with thermo-responsive and photothermal properties for atmospheric water harvesting」的文章發表於【Advanced Functional Materials】上。論文第一作者為浙江理工大學
鄭旭副教授
，通訊作者為
鄭旭副教授
和上海交通大學
王如竹教授
。
圖1 材料的結構示意圖和工作原理圖
【溫敏光熱復合吸附劑的表征】
研究團隊進行了復合吸附劑的粒徑測試、紫外-可見-紅外漫反射測量、傅立葉紅外光譜測試、親疏水角測試、掃描電子顯微鏡以及能譜分析等系列表征實驗。測試結果表明采用的合成方法能使PNIPAM和Ppy在油菜花粉基質表面成功聚合。比如，從粒徑測試結果（下圖f）可以明顯看出，當溫度升至 32°C 時，顆粒尺寸會迅速減小。這和PNIPAM的低臨界溶解溫度(Lower Critical Solution Temperature，LCST) 下會發生相變相吻合，即當溫度上升至其LCST（30~35oC）或以上時，溫敏高分子內及分子間疏水基團的締合作用增強，體系由疏松線團變為緊密的膠粒狀結構，故粒徑會變小，從而證明了合成的復合吸附劑具有溫敏特性。又如，紫外-可見-紅外漫反射測試得到的吸收光譜圖（圖2g）顯示，在可見光和紅外線區域， Pollen-LiCl@PNIPAM-b-PPy的吸收能力遠遠高於處理後的花粉（Pollen）以及溫敏花粉（Pollen@PNIPAM）。這驗證了由於PPy的加入使得復合吸附劑獲得了良好的光熱特性。此外，親疏水角測試（圖2j）顯示了氯化鋰的嵌入使得復合吸附劑變得更加親水。
圖2 材料的表征研究
【復合吸附劑的吸附-脫附特性】
研究團隊論證了Pollen-LiCl@PNIPAM-b-PPy具有吸附量高、吸附/脫附速率快、穩定性好、再生溫度低（40~50oC）等優點。在 20oC & 80%RH 吸附工況下，復合材料的吸附量高達 1.52 g g-1，並可實作快速的吸附（3小時內的吸附量占平衡吸附量的 95%）。隨著材料學的快速發展，已有吸附劑落於圖3d中的區域I ，即能同時具有較高的吸附效能（>0.5 g g-1）和低溫再生效能（40~60oC）；但在吸附初始2小時內，該吸附劑的瞬時吸附量比近些年報道的其它新型吸附劑高出 10%~97%（相似吸附工況下，圖3 e）。這得益於該復合吸附劑的分層多孔結構和浸入的強吸濕材料氯化鋰，可實作高效的水分輸運以及快速響應的吸附動力學特性。此外，脫附30分鐘內，該材料釋放出的水蒸氣遠大於其它新型吸附劑在的脫附水量（下圖g），歸功於溫敏功能層PNIPAM，其在低臨界溶解溫度LCST（30~35oC）下會發生相變（當溫度上升至其LCST或以上時，溫敏高分子內及分子間疏水基團的締合作用增強，體系由疏松線團變為緊密的膠粒狀結構，把預先吸附在活性位的水分子擠出體系，實作脫水再生）。
圖3 材料的吸附和脫附效能
【光熱脫附效能研究】
為了增加該復合吸附劑在脫附過程中的光照面積，
研究團隊
將其塗敷到鋁片表面，並進行室內模擬太陽光以及戶外光照下的脫附實驗研究。結果表明，
在相同光照條件下（1 sun），光照僅 0.5 小時，該吸附劑即可釋放出82% 的捕獲水，其釋放水蒸氣的速率是近期報道其它具有光熱特性的新型吸附劑的 1.3~8.2 倍（圖4 c）。這是由於 PPy的優異光熱轉換效率和 PNIPAM 的低溫脫附效能的共同作用。
圖4 溫敏光熱花粉鋁片的光熱脫附效能
【實驗室和戶外的取水效能測試】
為了驗證該吸附劑的實際取水效果，研究團隊設計並搭建了一個結構簡單、便於攜帶的小型吸附式空氣取水裝置，並在實驗室工況和戶外實地環境中進行了取水效能實驗研究。實驗室工況下研究結果表明，在1000 W m-2的光照條件下脫附1.5小時，可獲得高達0.86 g水/g吸附劑的單次集水量。在相似的戶外環境條件下，單次取水量為0.81 g水/g吸附劑，與室內實驗保持了良好的一致性。此外，需要指出的是，快速迴圈取水設計可以大大提高裝置的產水能力，但頻繁切換吸附和解吸的操作模式可能會降低材料和裝置的使用壽命。與頻繁切換策略（如一天內進行 8~10 次吸附-脫附迴圈）不同，套用該吸附劑的取水裝置，只需進行3次吸附-解吸迴圈，就能實作高達 2.21 g水/g吸附劑的日產水量。
圖5 套用復合吸附劑的取水裝置的實驗室和戶外取水效能
【文章小結】
為了解決現有吸附式取水系統中，大多數具有高吸附能力的吸附劑存在或吸附/脫附速率低，或再生效能差（如再生溫度高或光熱轉換效率低）的不足，研究團隊以油菜花粉為基質，設計了一種具有溫敏和光熱雙重特性的嵌段共聚物，並輔以氯化鋰改性，作為水蒸氣的高效智慧復合吸附劑，並用於空氣取水。得益於其分層多孔結構、PPy光熱功能層、PNIPAM溫敏功能層以及氯化鋰的強吸濕性，該智慧復合吸附劑具有吸附量高、吸附/脫附速率快、穩定性好、再生溫度低（40~50oC）、光熱效能好等優點。最終，只需進行3次吸附-解吸取水迴圈，套用該吸附劑的取水裝置就能實作高達 2.21 g水/g吸附劑的日產水量，且無需額外的加熱元件。該研究為太陽光的直接高效利用提供了新思路，能促進吸附式空氣取水技術的發展和落地。
【作者簡介】
第一作者&通訊作者- 鄭旭, 浙江理工大學建築工程學院副教授
，建築能源利用與碳減排研究所所長，主要研究領域為建築節能、固體除濕空調和復合吸附劑合成。曾獲上海交通大學首屆優秀博士學位論文（導師：王如竹教授），浙江省第十三屆高校青年教師教學競賽工科組特等獎，指導學生獲研究生能源裝備創新設計大賽全國一等獎。在【Advanced Functional Materials】、【Chemical Engineering Journal】、【Chemical Engineering Science】、【Energy】、【Energy Conversion and Management】、【International Journal of Refrigeration】等期刊以第一/通訊作者發表高水平學術論文二十余篇；授權國家專利十余項。
共同通訊作者- 王如竹, 上海交通大學講席教授, 制冷與低溫工程研究所所長，教育部太陽能發電及制冷工程中心主任。
從事制冷、熱泵與熱濕調控研究，主持的成果獲國家自然科學二等獎和國家技術發明二等獎，何梁何利基金科學與技術創新獎；榮獲全球能源獎、國際能源署熱泵大獎、國際制冷學會最高學術獎Gustav Lorentzen獎章等多項重要國際學術獎項。他領銜的能源-水-空氣創新團隊（ITEWA）長期致力於解決能源、水、空氣交叉領域的前沿基礎性科學問題和關鍵技術，旨在透過學科交叉實作材料-器件-系統層面的整體解決方案，推動相關領域取得突破性進展。團隊近5年來在Science, Nature Water, Joule, EES, Advanced Materials, Nature Comm.等高水平期刊上發表40余篇學科交叉論文。
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