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前言介紹

在2022年1月16日，美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授和魯恒毅博士等人在Adv. Mater.上發表了題為“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器，可以將太陽能轉化為熱能，從VOC水溶液中提取水，并產生潔凈的水蒸氣。由高度水合的海藻酸鹽組成的SWEGs具有超交聯聚合物網絡（HPNs），且水分子穿透HPNs時將與硅藻酸鹽聚合物鏈形成強氫鍵網絡。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水凝膠。

由于這種水-分子鏈氫鍵在熱力學上比水-VOC分子相互作用更穩定，因此SWEG可以從VOC溶液中提取水，將VOC與蒸發前沿隔離，從而防止產生的水蒸氣受到污染。基于SWEG，太陽能蒸餾能實現高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）下達到1.4 kg m^-2 h^-1的水產量。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。這些特征表明，SWEG的概念可以促進下一代太陽能驅動的水凈化技術的發展，克服與VOCs造成的蒸汽污染相關的基本挑戰。

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

成果展示

大氣集水（Atmospheric water harvesting, AWH）被認為是可為內陸和干旱地區提供可持續用水的淡水生產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注，但是在實際使用中，大量無機鹽的引入往往會導致聚集和泄漏問題。

基于此，美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授等人報道了一種可控制地負載吸濕性氯化鋰（LiCl）鹽的聚兩性離子水凝膠（polyzwitterionic hydrogel），以實現高效的大氣集水（AWH）。在抗聚電解質的作用下，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。通過合理調控LiCl的含量，所制備的水凝膠在相對濕度（RH）為30%下120 min內顯示出0.62 g/g的優異水蒸氣吸附能力。

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出優異的穩定性，使其能夠進行長時間的實際應用。作為概念驗證，作者演示了在定制系統中，在30% RH下每天可以生產5.87 L kg^-1清潔淡水。該結果表明通過調整吸濕鹽和聚合物鏈之間的相互作用，為設計和制備下一代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峻挑戰之一，迫切需要開發從各種水資源中獲取清潔水的技術。大氣水（Atmospheric water）被認為是一種可靠的資源，其容量約為13萬億升，為從環境空氣中獲取水提供了機會，特別是對于偏遠、內陸地區和干旱地區。

其中，大氣集水（Atmospheric water harvesting, AWH）技術正在成為一種可持續提供淡水的方案。考慮到全天候水分收集的要求，在水凝膠基質中使用吸濕鹽被認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液化，然后液態水被轉移到水凝膠中。然而，水凝膠基質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境中，導致相關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，并在水凝膠中穩定地鎖定鹽仍面臨著挑戰。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。它們表現出獨特的鹽響應反聚電解質效應，其中鹽物種可以屏蔽帶相反電荷的官能團之間的自締合效應，而聚合物鏈在鹽溶液中表現出更多的拉伸構象。

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及對應AWH性能

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圖4. 大氣水分和集水性能

小? 結

總之，作者開發了一類可控制地負載吸濕性LiCl的聚兩性離子水凝膠，以實現高效的AWH。由于抗聚電解質的作用，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中還可以產生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定性，使其能夠長期進行實際應用。這類具有獨特的鹽響應特性的聚兩性離子水凝膠可以為設計和制備下一代AWH材料以解決水資源短缺挑戰提供了新的見解。

文獻信息

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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