宁波材料所陈涛研究员团队 Matter综述：吸湿性聚合物凝胶 - 向大气“索取”淡水和能源

点击上方“蓝字” 一键订阅

全球人口爆炸式的增长使得人们对于淡水和能源产生了巨大的需求。尽管近年来在发展水-能获取的新技术方面取得了长足进步，但实现淡水和能源的可持续供给仍然存在重大挑战。这要求我们必须继续探索新的资源或技术，以丰富现有淡水和能源的来源和生产方式。由于全球水文循环，大气中蕴藏着约12900km³的湿气资源可以被用于制备淡水或进行能量管理，但却常常被忽视。因此，合理利用这一巨大的湿气资源，可为目前全球淡水和能源危机的缓解提供一种新的替代方案。大气湿气开发（atmospheric moisture exploiting，AME）技术可自发汲取空气中的湿气，进而通过水的利用实现淡水制备及能量管理等应用，因此被认为是一种具有前景的实现淡水和能源可持续的解决策略。在这方面，设计并开发新型功能性吸湿材料是实现AME技术迭代的关键核心之一。由于其高度可调的结构和性质，独特的多孔结构和溶胀特性，以及易与功能材料有效集成等特点，以三维交联聚合物网络为特征的吸湿性聚合物凝胶（hygroscopic polymeric gels，HPGs）已逐渐成为一种理想的AME平台材料，可将大气中的湿气资源有效地转换为淡水和能源资源，展示出巨大的应用前景和研究价值。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队陈涛研究员、肖鹏副研究员基于HPGs在吸湿聚合物凝胶开发及其在大气湿气资源开发方面的研究进展，在Matter上发表题为“Hygroscopic polymer gels toward atmospheric moisture exploitations for energy management and freshwater generation”的综述文章，系统回顾了HPGs的吸湿机制、构建策略以及其在水-能应用方面的系列进展，并概述了目前阶段所面临的挑战和机遇。

在该综述中，作者首先阐释了HPGs的吸湿机制，包括湿气吸附和湿气贮存，并系统总结了其物理结构和化学性质的一般设计原则。根据其凝胶材料结构和组成可将HPGs分为本征型HPGs和混合型HPGs。对于前者，无需引入额外的吸湿组份，仅通过调节单体或聚合物链的亲水性，就能使聚合物凝胶网络具有显著的吸湿性能。更重要的是，通过在这些亲水性凝胶网络中构建多孔结构，可进一步改善其吸湿动力学。另外，通过各种掺杂策略，包括浸泡-干燥、离子交换、互穿网络、原位共聚和溶剂置换等，将现有吸湿组份（固体干燥剂和液体吸湿剂）与凝胶网络进行复合可得到混合型HPGs，最终表现出协同增强的吸湿性能。在列举这些构筑策略的实例的同时，本综述还相应总结了其构-效关系。作者系统回顾了近年来HPGs在湿气裂解、吸湿-蒸发制冷、湿致发电、湿致变色、空气取水及湿气灌溉等水-能应用方面的最新进展。

尽管HPGs在近年来发展势头强劲，但现阶段仍存在一些问题和挑战。例如，未来需要进一步提升其吸湿性能，尤其是在低湿度环境条件下，以期望在淡水和能源生产中发挥更大的输出性能以满足实际使用需求。同时，还需进一步提升HPGs的再生效率，通过对材料和器件结构的优化来实现对其所吸收湿气的完全消耗，以再生其最大的吸湿能力。另外，在湿气利用过程中，未来其物理结构（内部多孔结构坍塌）和化学结构（气体杂质吸附）的稳定性也需要被进一步关注，以避免在其循环使用中出现性能的不可逆衰退。最后，HPGs的成本和宏量化生产是其进入大规模应用市场之前需要被考虑的两个方面，因此未来需要开发更低成本的材料体系以及更大规模化的生产技术来提升其市场竞争力。

HPGs的构建策略及其AME应用：向大气“索取”淡水和能源

该论文得到了国家自然科学基金（52073295）、宁波市科技局（2021Z127）、国家自然科学基金委中德交流项目（M-0424）、中国科学院前沿科学重点研发项目（QYZDB-SSW-SLH036）、中国科学院国际合作局 (174433KYSB20170061)、王宽诚教育基金（GJTD-2019-13）等项目的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.010

相关进展

中科院宁波材料所陈涛研究员和张佳玮研究员团队Chem. Sci.综述：形变高分子水凝胶：从记忆到驱动

宁波材料所陈涛研究员、张佳玮研究员团队CEJ：在智能高分子水凝胶传感驱动功能集成方面取得进展

中科院宁波材料所陈涛研究员、路伟研究员团队在智能荧光高分子水凝胶的构建及其三维信息加密领域取得新进展

宁波材料所陈涛研究员课题组在鱼鳔启发的水下自感知软体驱动器方面取得进展

宁波材料所陈涛研究员、张佳玮研究员团队：在多场协同远程控制的水凝胶“变形金刚”领域取得进展

宁波材料所陈涛研究员团队与纳米能源所王中林院士、潘曹峰研究员团队合作《AM》：开发出自修复、可粘附高分子水凝胶柔性触摸屏

中科院宁波材料所陈涛研究员课题组《Small》：在水凝胶可编程化智能变形领域取得进展

宁波材料所陈涛研究员课题组和北航刘明杰教授课题组合作《Angew》：在瞬态荧光水凝胶用于多级信息加密-解密-自擦除方面取得进展

宁波材料所陈涛研究员/深圳大学周学昌教授Mater. Horiz.综述：仿生防冻高分子水凝胶：让软湿材料在极寒条件下保持生命力

中科院宁波材料所陈涛研究员/香港科大唐本忠院士在《ANGEW》发表综述：荧光高分子水凝胶中的多彩世界
中科院宁波材料所陈涛研究员团队《Nat. Commun.》: 开发出无束缚、可编程的“保鲜膜”软体机器人

中科院宁波材料所陈涛研究员团队在铁兰启发的有机凝胶进行光热空气集水方面取得进展

中科院宁波材料所陈涛研究员课题组在仿生调控砂子用于海水淡化与净水收集方面取得进展

中科院宁波材料所陈涛研究员团队:在自保护、人机互动柔性织物传感器方面取得进展

中科院宁波材料所张佳玮研究员与陈涛研究员团队：抗冻可拉伸有机水凝胶软驱动器

中科院宁波材料所陈涛研究员课题组在高分子水凝胶驱动器方面取得新进展

中科院宁波材料所陈涛研究员课题组在智能荧光高分子水凝胶的材料构建及其功能协同方面取得新进展

中科院宁波材料所陈涛研究员团队在非对称仿生界面高分子复合材料用于太阳能海水淡化方面取得系列进展

宁波材料所陈涛研究员在生物可降解油水分离材料方面取得新进展

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多