“我們的研究主要解決了空氣集水領(lǐng)域在低濕度情況下吸水量低和集水速率慢的難題，為從空氣中高效提取純凈水的實(shí)際應(yīng)用提供了可能，有望改善全球水資源短缺現(xiàn)狀，同時(shí)也為后續(xù)設(shè)計(jì)功能性聚合物材料帶來(lái)了新知識(shí)與重要參考，”德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校材料科學(xué)與工程專業(yè)博士郭猷弘表示。

近日，由郭猷弘領(lǐng)銜、該校余桂華教授課題組開(kāi)發(fā)了一種能得到清潔飲用水的超吸濕性聚合物薄膜（super hygroscopic polymer films，簡(jiǎn)稱SHPFs），有望緩解全球（尤其是干旱地區(qū)）飲用水危機(jī)。據(jù)了解，該薄膜是利用可持續(xù)原材料經(jīng)簡(jiǎn)單方法合成出來(lái)的，由可再生生物質(zhì)和吸濕性鹽組成，在干旱環(huán)境條件下一千克 SHPFs 一天可生產(chǎn) 5.8-13.3 升公斤的飲用水，表現(xiàn)出極高的吸水率和低成本的優(yōu)勢(shì)。

審稿人評(píng)價(jià)道，該研究對(duì)未來(lái)合成和設(shè)計(jì)大氣集水材料有重大意義和啟迪。相關(guān)論文題為《用于干旱環(huán)境中水分采集的超吸濕聚合物薄膜》（Scalable super hygroscopic polymer films for sustainable moisture harvesting in arid environments），已發(fā)表在 Nature Communications 上，郭猷弘博士為第一作者，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校材料科學(xué)與工程專業(yè)余桂華教授為通訊作者[1]。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Nature Communications）

目前，研究人員在海水淡化和陸地水體凈化方面進(jìn)行了大量相關(guān)研究。然而，這些傳統(tǒng)凈水技術(shù)均依賴于水體的存在，實(shí)際應(yīng)用時(shí)在地理環(huán)境上較為受限。

全球空氣中含有豐富的、超過(guò)一萬(wàn)立方千米的水資源。因此，近年來(lái)，從空氣中提取水的大氣集水技術(shù)受到科學(xué)家的廣泛關(guān)注。

大氣集水技術(shù)的關(guān)鍵在于其材料可以迅速?gòu)目諝馕沾罅克魵?，并同時(shí)需將吸收的水蒸氣快速釋放并收集。此前，科學(xué)家們研發(fā)了沸石、吸濕鹽和金屬有機(jī)框架等材料來(lái)實(shí)現(xiàn)大氣集水技術(shù)。但是，這些材料存在諸如吸水速率慢 、吸水量低和難以大規(guī)模生產(chǎn)等問(wèn)題。

本次研究中，該團(tuán)隊(duì)受面粉、糖和鹽等生活中常見(jiàn)的易潮解物質(zhì)啟發(fā)，選取魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan，簡(jiǎn)稱為 KGM）、羥丙基纖維素（hydroxypropyl cellulose，簡(jiǎn)稱為 HPC）和氯化鋰（LiCl）三種材料成分來(lái)設(shè)計(jì)可快速吸水的輕薄膜材料。

圖 | 超吸濕性聚合物薄膜的大氣集水技術(shù)和設(shè)計(jì)原理（來(lái)源：Nature Communications）

據(jù)研究人員介紹，KGM 含有大量親水基團(tuán)，可被用于從空氣中吸取水分；HPC 具有特殊的相變性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)已吸收水分的快速釋放與收集；而 LiCl 擁有較強(qiáng)的吸水性，能夠提高薄膜材料的整體吸水量。

確定材料成分后，郭博士及團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了對(duì)照試驗(yàn)來(lái)調(diào)控各個(gè)組分之間的比重，以優(yōu)化整體的材料設(shè)計(jì)方案。最終，他們確定了 KGM、HPC 和 LiCl 的合適濃度和比例，使得 SHPFs 薄膜既可以實(shí)現(xiàn)高吸水量和高吸水速率，并且在小于 60 攝氏度的合理加熱溫度下就可以快速釋放水分。

據(jù)悉，研究人員利用商用的動(dòng)態(tài)水分吸附設(shè)備（Dynamic vapor sorption）以及組內(nèi)搭建的測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)際驗(yàn)證了 SHPFs 薄膜的水分吸收速率、容量以及多次重復(fù)使用后的性能。

圖 | SHPF 的制備和表征（來(lái)源：Nature Communications）

此外，他們使用 SHPFs 薄膜樣品、電加熱器和冷凝器設(shè)計(jì)了一種一體式大氣集水裝置，并在自然條件下的干燥天氣中測(cè)試了該裝置的性能。研究表明，在相對(duì)濕度處于 10.6-41.6% RH 的干燥條件下，該裝置仍然可以每天從空氣中提取大量水資源，且每千克 SHPFs 薄膜每天可以從空氣中獲取 5.5L 純凈水。

如上所述，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的這種薄膜材料有望為干旱地區(qū)的人群提供充足的水資源供給，極大地改善干旱地區(qū)的缺水問(wèn)題和人民的生活水平。

郭猷弘稱，這項(xiàng)研究最令其驚喜的是，材料的合成方法極其簡(jiǎn)單，只需要將前驅(qū)溶液混合，靜置 2 分鐘，再將樣品進(jìn)行常規(guī)凍干，即可用于實(shí)際的集水工作。下一步，她們將繼續(xù)優(yōu)化該材料的性能，并推動(dòng)該材料的實(shí)際應(yīng)用。

圖 | 郭猷弘（來(lái)源：郭猷弘）

郭猷弘博士出生于陜西，本科及碩士畢業(yè)于加州大學(xué)圣地亞哥分校，博士畢業(yè)于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校，師從余桂華教授。現(xiàn)在，她在麻省理工學(xué)院（MIT）從事博士后研究，曾獲得了美國(guó)材料學(xué)會(huì)研究生獎(jiǎng)及中國(guó)政府自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金。

據(jù)郭猷弘博士表示，目前她剛?cè)肼毑┦亢蟛痪?，其首要?jì)劃是把手上工作做好，將來(lái)會(huì)考慮回國(guó)發(fā)展。

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參考：1、Guo, Y., Guan, W., Lei, C. et al. Scalable super hygroscopic polymer films for sustainable moisture harvesting in arid environments. Nat Commun 13, 2761 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30505-2