南开大学张振杰研究员JACS：水汽响应型晶态智能材料用于水收集和空气发电

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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，引起了人们广泛的关注。近年来，科研工作者致力于创制各种类型的水汽响应型智能材料，在水蒸气刺激下发生显著形变，并通过能量转化器使形变产生的机械能进一步转换为电能。然而，已报道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。

南开大学化学学院张振杰课题组致力于利用晶态材料构筑各种刺激（光、气、电等）响应的智能驱动体系，成功构筑了一系列光驱动（如Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 18634; Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 10192; ACS Cent. Sci., 2020, 6, 787）以及气驱动的“晶态人工肌肉”（如ACS Cent. Sci., 2019, 5, 1352; CCS Chem., 2021, 3, 490），在光/气刺激下可以进行仿生运动。基于前期工作，作者开发了一种柔性多孔框架材料，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。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，最终通过与压电材料耦合，实现了空气发电（图1）。

图1. 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）

在此研究中，作者选择了具有sod拓扑结构的类沸石嘧啶框架（zeolitic pyrimidine framework，ZPF），ZPF-2-Co，作为研究对象（图2）。作者首先研究了ZPF-2-Co对二氧化碳和水蒸气的吸附性能，以及吸脱附过程的结构变化。测试结果表明，该材料具有柔性结构，在10%的相对湿度下即可吸水发生结构膨胀（16.2%）。进一步发现，在相对湿度0-30%的动态环境下，其可在10 min内吸附水蒸气至饱和（质量增重15%），还可在20 min内完全脱附水蒸气。水蒸气的吸/脱附可以稳定循环50轮以上。水收集的理论产量可达7.2 L/kg材料/天，超过了绝大多数适用于干旱环境的水收集干燥剂（图3）。

图2. ZPF-2-Co在吸附/脱附水蒸气过程的结构转变

图3. ZPF-2-Co的水蒸气吸附性能及对比

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，基于仿生思想，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这一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）可实现其梯度有序分布，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，可以将机械能转化为电能（图4），执行至少10个循环而不会出现明显的衰减。

图4. ZPF-2-Co构筑的智能驱动发电组件运行示意和产电性能

这一成果近期发表在了Journal of the American Chemical Society 上，通讯作者是南开大学化学学院张振杰研究员，文章的第一作者为南开大学化学学院博士生杨铭方。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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