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每年的不同时间,地球上的许多地区都会面临潮湿的问题。高湿度不利于环境的可持续性,危害人们的身心健康,有利于有害昆虫、寄生虫和微生物的生长,引发金属的化学腐蚀,破坏建筑结构(图1a),因此除湿对于环境的可持续性和人类健康具有重要意义。传统的除湿方法能耗大,对环境影响大。核心的挑战是将吸湿表面暴露在空气中,并适当地存储捕获的水,避免表面失活

近日,东北林业大学陈文帅教授美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授等人报道了一种用于被动除湿的纳米结构吸湿凝胶(N-MAG),它由一个亲水的纳米纤维素网络组成,由吸湿性氯化锂控制功能化。这种相互连接的纳米纤维素可以将捕获的水转移到庞大的N-MAG内部空间,消除水在表面附近的积聚,从而实现高速率的吸湿。N-MAG可以在6小时内将相对湿度从96.7%降低到28.7%,即使所在空间是其自身体积的2×104倍以上。凝结水完全被限制在N-MAG中,克服了环境污染问题。本研究为无能耗、具有积极的环境可持续湿度管理提供了新的视角。相关工作以“A Nanostructured Moisture Absorbing Gel for Fast and Large-Scale Passive Dehumidification”为题发表在最新一期的《Advanced Materials》。

图1. 高湿度的危害和基于N-MAG的除湿。

研究者设计了一种纳米结构的吸湿凝胶(N-MAG),将吸湿性LiCl和亲水性生物聚合物衍生的纳米纤丝纤维素(NFC)集成到分层多孔网络中。N-MAG的骨架由高纵横比、高晶体和纠缠态NFC支撑。NFC可从可再生的高等植物中提取,具有优异的机械性能和保水性能,在可持续性方面具有突出的优势。一小块N-MAG由于其固有的吸湿颗粒亲水聚合物纳米纤维互联多孔网络,具有强大的吸湿和捕水能力(图1b),可以快速去除大量潮湿环境中的水分。氯化锂的外围N-MAG有很多区域暴露在空气中进行进一步的水分吸收,而多孔NFC网络内部的凝胶作为蓄水空间,因此实现连续、快速、大型除湿(图1 c)。

图2. N-MAG的制备。

N-MAG的制备是通过将NFC水悬浮液与LiCl溶液交换形成复合凝胶,然后进行冻干。高结晶NFC由宽度约为3.5 nm的个性化纤维素纳米纤维和纳米束组成(图2a),通过化学预处理结合纳米原纤维,经高强度超声提取木材,被选为可持续的亲水模块,用于构建N-MAG。锂离子和氯离子迅速扩散到NFC悬浮液中,部分取代了水分子,并储存在NFC网络中;这促进了NFC快速自聚合成独立的凝胶(图2b)。在冻干过程中,大量LiCl自聚集成颗粒,并与NFC网络紧密相连,导致样品收缩,形成一种名为N-MAG的凹面镜状气凝胶(图2c)。在N-MAG表面,大量微米级的LiCl颗粒均匀地填充在NFC网络的孔隙中,并与NFC紧密相连(图2d)。在内部区域,LiCl粒子也被观察到,并与NFC网络紧密连接(图2e)。N-MAG主要内部区域存在几百微米大小的大孔隙(图2f)。


图3. 从空气中吸收湿气。

将N-MAG置于室内,暴露在空气中吸湿。它迅速从空气中吸收水蒸气,表面逐渐湿润。中心区域比外围区域湿润得快(图3a),这主要是因为中心区域较薄、松散,具有孔隙较大的多孔结构,而外围区域则更为密集。从N-MAG中心取8 mm × 6 mm × 0.5 mm的样品,用于监测吸湿情况(图3b)。由于暴露在空气中的大量LiCl颗粒的存在,N-MAG的周边区域迅速吸收空气中的水汽,并在0.5 h内变湿。在恒定温度下,N-MAG表现出快速的吸收动力学,随着环境湿度的增加,可以从空气中吸收更多的水分(图3c)。在开窗室内,随着环境温度和湿度的不断变化,N-MAG的吸湿吸水率与商品化4A分子筛和硅胶的吸湿吸水率进一步进行比较(图3d, e)。N-MAG的吸湿率和饱和吸湿能力明显高于商品吸湿剂。

图4. 空气除湿。

在体积为9525 cm 3(图4a)的干燥器中,N-MAG (~1 g)能快速吸收水汽,在1 h内将干燥器RH从95.3%降低到28.4%。而相同质量的4A分子筛和硅胶只能在1.5 h内将干燥器RH分别从94.4%和93.3%降低到82.3%和59.4%。对于体积高达37100 cm 3的干燥器,1.79 cm 3的N-MAG在6 h内有效地将相对湿度从96.7%降至28.7%,24 h后RH进一步降低至22.6%,65 h后RH稳定 (图4b)。与相同体积的LiCl块相比,N-MAG表现出更高的吸水率(图4c),这得益于其亲水性NFC支撑的多孔互联结构。可再生吸湿,循环稳定性好。

图5. 大尺寸彩色N-MAG的制备。

图6. 水果贮藏除湿。

小结:研究者开发了一类N-MAG干燥剂,通过溶液交换促进复合凝胶的形成,然后进行冻干,用于快速和大规模的除湿。在N-MAG的外围区域,LiCl颗粒密集排列,而内部区域则具有微米大小的孔隙。由于吸湿性LiCl颗粒与超亲水纳米纤维素网络之间的协同作用,N-MAG表现出优异的吸湿性能,其除湿能力优于商用吸附剂。在体积为自身2×10 4倍以上的环境中,它能快速将相对湿度从96.7%降至28.7%。此外,N-MAG还可作为空气除湿的有效干燥剂,以延长水果的贮藏期。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200865

来源:高分子科学前沿

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