“我們的研究主要解決了空氣集水領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際應用提供了可能，有望改善全球水資源短缺現狀，同時也為后續(xù)設計功能性聚合物材料帶來了新知識與重要參考，”德克薩斯大學奧斯汀分校材料科學與工程專業(yè)博士郭猷弘表示。

近日，由郭猷弘領銜、該校余桂華教授課題組開發(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，簡稱SHPFs），有望緩解全球（尤其是干旱地區(qū)）飲用水危機。據了解，該薄膜是利用可持續(xù)原材料經簡單方法合成出來的，由可再生生物質和吸濕性鹽組成，在干旱環(huán)境條件下一千克 SHPFs 一天可生產 5.8-13.3 升公斤的飲用水，表現出極高的吸水率和低成本的優(yōu)勢。

審稿人評價道，該研究對未來合成和設計大氣集水材料有重大意義和啟迪。相關論文題為《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，德克薩斯大學奧斯汀分校材料科學與工程專業(yè)余桂華教授為通訊作者[1]。

圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）

目前，研究人員在海水淡化和陸地水體凈化方面進行了大量相關研究。然而，這些傳統凈水技術均依賴于水體的存在，實際應用時在地理環(huán)境上較為受限。

全球空氣中含有豐富的、超過一萬立方千米的水資源。因此，近年來，從空氣中提取水的大氣集水技術受到科學家的廣泛關注。

大氣集水技術的關鍵在于其材料可以迅速從空氣吸收大量水蒸氣，并同時需將吸收的水蒸氣快速釋放并收集。此前，科學家們研發(fā)了沸石、吸濕鹽和金屬有機框架等材料來實現大氣集水技術。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)模生產等問題。

本次研究中，該團隊受面粉、糖和鹽等生活中常見的易潮解物質啟發(fā)，選取魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan，簡稱為 KGM）、羥丙基纖維素（hydroxypropyl cellulose，簡稱為 HPC）和氯化鋰（LiCl）三種材料成分來設計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和設計原理（來源：Nature Communications）

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

確定材料成分后，郭博士及團隊設計了對照試驗來調控各個組分之間的比重，以優(yōu)化整體的材料設計方案。最終，他們確定了 KGM、HPC 和 LiCl 的合適濃度和比例，使得 SHPFs 薄膜既可以實現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。

據悉，研究人員利用商用的動態(tài)水分吸附設備（Dynamic vapor sorption）以及組內搭建的測試系統，實際驗證了 SHPFs 薄膜的水分吸收速率、容量以及多次重復使用后的性能。

圖 | SHPF 的制備和表征（來源：Nature Communications）

此外，他們使用 SHPFs 薄膜樣品、電加熱器和冷凝器設計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試了該裝置的性能。研究表明，在相對濕度處于 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，該團隊設計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)的缺水問題和人民的生活水平。

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

圖 | 郭猷弘（來源：郭猷弘）

郭猷弘博士出生于陜西，本科及碩士畢業(yè)于加州大學圣地亞哥分校，博士畢業(yè)于德克薩斯大學奧斯汀分校，師從余桂華教授?，F在，她在麻省理工學院（MIT）從事博士后研究，曾獲得了美國材料學會研究生獎及中國政府自費留學生獎學金。

據郭猷弘博士表示，目前她剛入職博士后不久，其首要計劃是把手上工作做好，將來會考慮回國發(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