從空氣中捕集水分被認為是緩解沙漠地區(qū)和電力供應(yīng)不連續(xù)地區(qū)水資源短缺的新一代解決方案。繼金屬有機框架 （MOF）之后，水凝膠復(fù)合材料憑借其高溶脹比，化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，制備方式簡單成熟等優(yōu)勢成為了下一代大氣集水材料的候選者。然而，現(xiàn)有的基于水凝膠的大氣集水材料常常將起到液化功能的添加劑和光熱轉(zhuǎn)化劑均勻分散在材料中，即使其通常只在材料表面起到將水蒸氣液化為液態(tài)水和在太陽光下加熱水凝膠的功能。在此情況下，每種添加劑不僅無法實現(xiàn)高效利用，反而增加了水凝膠的質(zhì)量并可能降低水凝膠的機械強度。因此，作者提出了“材料功能分而治之”的策略，來最大化水凝膠復(fù)合材料中每一種成分的特定功能。
基于本策略，悉尼科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院付強課題組進行了雙層水凝膠在大氣集水領(lǐng)域的創(chuàng)新嘗試，使用包含季銨鹽的離子聚合物作為儲水層，加入一種新型聚多巴胺-金屬納米顆粒的聚合物作為光熱轉(zhuǎn)化層。兩層均使用聚（N-異丙基丙烯酰胺）作為聚合物骨架以實現(xiàn)層間連接。在模擬夜間環(huán)境條件下，水蒸氣通過晝夜轉(zhuǎn)換實現(xiàn)濕度變化進而在水凝膠表面液化，隨后儲存在離子聚合物儲水層。水吸附實驗結(jié)果表明，完全相同的成分制備的雙層水凝膠其水吸附容量是均勻混合而成的對照水凝膠的166%，這是由于表面更大密度水吸附活性位點實現(xiàn)了水凝膠的快速活化，進而使儲水層實現(xiàn)更快的溶脹。另一方面，光熱轉(zhuǎn)化層中的聚多巴胺-金屬納米顆粒同樣具有輔助水吸附的功能。由于兩層水凝膠包含相同成分，并且在水吸附過程中均發(fā)生溶脹，所以盡管溶脹比不同，兩層水凝膠卻仍然實現(xiàn)了緊密連接。該研究為大氣集水領(lǐng)域提出了一種創(chuàng)新的材料設(shè)計策略，有助于下一代新型基于水凝膠的大氣集水復(fù)合材料提供設(shè)計理念。
論文信息 Divide and Conquer: A Novel Dual-Layered Hydrogel for Atmospheric Moisture Harvesting An Feng, Casey Onggowarsito, Shudi Mao, Greg G. Qiao, Qiang Fu ChemSusChem DOI: 10.1002/cssc.202300137
