王鹏教授团队Mater. Horiz.：无金属、无腐蚀、全固态聚合物基水蒸气吸附剂，用于吸附式制冷和空气中收集水

2021-03-15 13:22:17 作者：本网整理来源：X-MOL资讯分享至：

近年来，由于能源与水资源短缺问题日益严峻、低碳和环保理念深入人心，水蒸气吸附剂越来越受到重视。它可以利用太阳能、废热、余热等低品位热源来驱动吸附式制冷、空气中集水、吸附脱盐和湿度调控等多种应用，从而缓解电力供应紧张的压力，有效减小碳排放量，提供稳定淡水供应。但是，目前常见的无机盐（CaCl2、LiCl等）吸附剂吸水后会形成盐溶液，存在泄漏渗出的问题，而且由于卤素离子的存在，无机盐吸附剂具有很强的腐蚀性。另一方面，硅胶和沸石等传统吸附剂由于其低的吸附能力而限制了其应用的性能。除此之外，一些用于制备吸附剂的金属元素，如锂在地球上的储量有限而且正在日益减少。因此，迫切需要发展无金属、无腐蚀、全固态的高性能吸附剂。

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图1. 工作亮点

近日，阿卜杜拉国王科技大学/香港理工大学王鹏教授课题组报道了一种具有高吸水能力、无腐蚀、无金属的全固态聚合物吸附剂。作者首先制备了具有季胺阳离子的交联聚合物水凝胶，然后利用离子交换的方法，用环境友好的阴离子（醋酸根、草酸根、柠檬酸根离子）替换掉水凝胶中的氯离子，设计合成了无金属、无卤素、纯固态的吸附剂。所得到的吸附剂同时含有高吸湿性能的季胺基团和羧酸根基团，所以具有高的水蒸气吸附能力。由于存在共价交联作用，该吸附剂即使在吸水之后依然能保持固态的形态。将氯离子替换成醋酸根、草酸根和柠檬酸根离子之后，该吸附剂的腐蚀性大大降低。将该吸附剂用于空调吸附式制冷和空气中集水应用中，分别得到了较高的制冷性能和集水能力，体现出了广阔的应用前景。

图2.（a）聚合物基吸附剂的制备过程及（b）工作原理

首先利用自由基聚合的方法制备交联的聚阳离子水凝胶，然后将水凝胶充分浸泡在醋酸钠、草酸钠和柠檬酸钠水溶液中进行离子交换，最后用去离子水洗去残留的离子并加热干燥之后，便得到了无金属、无卤素、纯固态的聚合物吸附剂（图2a）。由于季胺基团和羧酸根基团的高吸湿性能，该吸附剂可以自发的吸附水蒸气。太阳光和低品位热源可以用来驱动吸附剂的解吸过程，从而将水蒸气从吸附剂中释放出来（图2b）。

图3.（a）聚合物基吸附剂的吸水性能及（b）防腐蚀性能

在离子交换之后，醋酸根离子结合的吸附剂（PAETA-Ac）具有最好的吸水能力（图3a）。与氯离子相比，醋酸根中的羧酸根基团对水分子有更强的亲和力和更多的配位数，从而可以吸附更多的水分子。而草酸根和柠檬酸根离子属于多电荷阴离子，对阳离子聚合物起到离子交联的作用，从而吸附能力小于PAETA-Ac吸附剂。更重要的是，由于PAETA-Ac吸附剂同时含有高吸湿性能的季胺基团和羧酸根基团，其水蒸气吸附能力是目前报道的聚合物吸附材料（未加修饰和复合的纯聚合物）中最高的。而在经过离子交换之后，无氯离子的吸附剂大大降低了对金属的腐蚀性能（图3b）。

图4.（a）聚合物基吸附剂用于空调吸附式制冷的原理及（b，c）性能

作为对该吸附剂实际应用前景的评估，作者首先研究了其在空调吸附式制冷应用中的性能。其吸附制冷的原理是（图4a）：当吸附剂吸附水蒸汽时（水为环境友好的制冷剂），水由液态转变为气态，吸收蒸发器中的热量，产生制冷效果，这个过程即吸附过程。然后利用热源加热吸附剂，使吸附剂释放出水蒸汽，水蒸汽在冷凝器中放出热量并凝结为液体，这个过程即解吸过程。最后吸附剂被冷却重新获得吸附能力。PAETA-Ac吸附剂具有高的水蒸气吸附能力和高的制冷性能（图4b，c）。在热源温度/再生温度为70 °C、获得20 °C（ΔT, Temperature lift）的降温条件下，PAETA-Ac吸附剂的COP（Coefficient of Performance）值为0.75。

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图5. 空气中集水

另一方面，作者研究了该吸附剂在空气中集水的能力。在此实验中，将光热材料碳纳米管掺杂在PAETA-Ac吸附剂中以赋予吸附剂光热驱动水蒸气解吸附的能力，然后进行户外的空气集水实验。在夜晚将PAETA-Ac暴露在空气中进行水蒸气吸附过程，然后将PAETA-Ac密封在容器中进行太阳光辅助的水收集过程。在一个循环的水蒸气吸附-解吸-冷凝过程中，该吸附剂可以生产出符合WHO饮用水标准的淡水。

这项工作为无腐蚀、纯固态吸附剂的设计提供了新的思路。所发展的聚合物基吸附剂集成了高吸水性、无金属、无腐蚀与固态性能，在水资源与能源领域表现出较大的应用潜力。

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