南开大学张振杰课题组JACS：高分子共混制备水汽驱动器用于水收集和空气发电
将空气中的水蒸气（水汽）转化为纯净液态水或电能等技术，在环境、能源、可穿戴设备等领域显示了巨大应用潜力，引起了广泛关注。然而，传统的水汽响应型智能材料种类有限，其较差的结构有序性影响其能量转化效率以及响应/驱动机制研究。因此，开发具有明晰有序结构的新型水汽响应型智能材料具有重要意义。
日前，南开大学化学学院张振杰课题组开发了一种柔性多孔框架材料（ZPF-2-Co），其在较低湿度下可进行水汽的快速吸脱附，可用于干燥环境中的水收集，其性能仅低于目前的最好材料（图1）。此外，该材料在吸脱附水蒸气的过程中，伴随着晶体体积的可逆膨胀与收缩，将其与高分子共混复合制备的柔性自支撑膜，在湿度梯度改变时可进行可逆的弯曲机械响应，最终可实现空气发电（图2）。相关工作 “Fabrication of Moisture-Responsive Crystalline Smart Materials for Water Harvesting and Electricity Transduction”发表在《JACS》。
图1 ZPF-2-Co的水蒸气吸附性能研究
图2 基于水汽响应型框架材料构建能量转化新途径（化学势能→机械能→电能）
晶态材料多以粉末微晶状态存在，晶体的脆性以及较差的力学性能使其无法将足够的能量转化为有用功，难以实现宏观智能体系的加工制备，制约了其在智能驱动领域的应用。针对上述挑战，基于仿生原理，作者利用前期提出的“晶态人工肌肉”新概念，引入高分子与晶态元件进行组装以结合二者优良特性。将ZPF-2-Co与PVA等亲水性高分子进行共混复合，构筑了一种柔性的、自支撑的智能驱动膜。通过调控晶体尺寸（纳米➙微米）可实现晶体在高分子基质中的梯度有序分布，从而有效提升体系的驱动性能。复合膜表现出随湿度变化的可逆的弯曲运动行为。作者进一步将其与压电材料（PVDF）复合，可实现机械能到电能的转化（图3）。该能量转化器执行10个循环而不会出现明显的能量衰减。
图3 ZPF-2-Co构筑的能量转化器运行示意和产电性能
本论文的第一作者为南开大学化学学院博士生杨铭方，通讯作者是南开大学化学学院张振杰研究员。该工作得到了国家自然科学基金和111工程的支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/jacs.1c01831
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