近日，江南大學付少海教授、福州大學賴躍坤教授報道了一種基于親/疏水核殼結構氣凝膠的大氣水收集材料（Core-Shell@CNF）。2023年8月11日，該研究成果以“ Bio-inspired core-shell structural aerogel with programmable water release capacity for efficient solar thermoelectricity-freshwater cogeneration ” 為題發表在 Matter 期刊上，第一作者為江南大學博士生余治華，通訊作者為江南大學付少海教授、福州大學賴躍坤教授。

水資源短缺給人類的生產帶來了巨大挑戰，預計到2050年，全球缺水人數將達到50億。相關研究統計表明，空氣中的水氣資源含量約為12,900立方千米。因此，大氣水收集技術受到研究人員的廣泛關注，特別是對于干旱沙漠或少雨地區，大氣水收集成為捕獲淡水的有效方法之一。目前，將吸濕鹽負載在多孔基質內部的大氣水收集材料取得了一些進展。然而，多孔基質內部孔道的容積有限，隨著吸濕時間的增加，其內部所捕獲的液態水易發生滲漏，并帶走一部分吸濕鹽，從而導致樣品的吸濕能力下降。

圖1：親/疏水核殼氣凝膠示意圖。

在濕度較高的夜晚，材料可以從空氣中吸收水分子（左）。在溫度較高的白天，材料可以將捕獲到的水以水蒸氣的形式釋放出來。

這種基于親/疏水核殼結構氣凝膠的大氣水收集材料（Core-Shell@CNF）由負載炭黑的多孔疏水殼層以及負載吸濕鹽氯化鋰的親水核層組成。在大氣水收集過程中，氣凝膠的吸濕核層可以從空氣中直接吸收水分子，而疏水殼層可以在傳輸水分子的同時阻止內部核層所捕獲到的液態水的滲漏。

值得注意的是，氣凝膠外層的多孔疏水殼層的孔徑大小應該在一個范圍內。當孔徑過小的情況下，水分子難以透過疏水殼層，其最小孔徑與水分子的平均自由程相關，約57nm。而當孔徑過大的情況下，其內部的液態水容易發生滲漏，其最大孔徑與內部水溶液的靜水壓及表面張力相關，在外部殼層的接觸角為120°的情況下，其最大孔徑約為1490 μm。

圖2：Core-Shell@CNF的設計策略。

圖3：Core-Shell@CNF的吸濕機理。

圖4：Core-Shell@CNF的吸濕及防滲漏性能。

圖5：Core-Shell@CNF的蒸發性能。

此外，為了充分利用太陽光照所產生的余熱，將Core-Shell@CNF與商用熱電發電機相結合，能在大氣水生產的同時，產生~18.12V/m2的電壓。

圖6：Core-Shell@CNF與商用熱電發電機結合后的發電性能。

來源：化學與材料科學