“我们的研究主要解决了空气集水领域在低湿度情况下吸水量低和集水速率慢的难题，为从空气中高效提取纯净水的实际应用提供了可能，有望改善全球水资源短缺现状，同时也为后续设计功能性聚合物材料带来了新知识与重要参考，”德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程专业博士郭猷弘表示。
近日，由郭猷弘领衔、该校余桂华教授课题组开发了一种能得到清洁饮用水的超吸湿性聚合物薄膜（super hygroscopic polymer films，简称SHPFs），有望缓解全球（尤其是干旱地区）饮用水危机。据了解，该薄膜是利用可持续原材料经简单方法合成出来的，由可再生生物质和吸湿性盐组成，在干旱环境条件下一千克 SHPFs 一天可生产 5.8-13.3 升公斤的饮用水，表现出极高的吸水率和低成本的优势。
审稿人评价道，该研究对未来合成和设计大气集水材料有重大意义和启迪。相关论文题为《用于干旱环境中水分采集的超吸湿聚合物薄膜》（Scalable super hygroscopic polymer films for sustainable moisture harvesting in arid environments），已发表在 Nature Communications 上，郭猷弘博士为第一作者，德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程专业余桂华教授为通讯作者[1]。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
目前，研究人员在海水淡化和陆地水体净化方面进行了大量相关研究。然而，这些传统净水技术均依赖于水体的存在，实际应用时在地理环境上较为受限。
全球空气中含有丰富的、超过一万立方千米的水资源。因此，近年来，从空气中提取水的大气集水技术受到科学家的广泛关注。
大气集水技术的关键在于其材料可以迅速从空气吸收大量水蒸气，并同时需将吸收的水蒸气快速释放并收集。此前，科学家们研发了沸石、吸湿盐和金属有机框架等材料来实现大气集水技术。但是，这些材料存在诸如吸水速率慢 、吸水量低和难以大规模生产等问题。
本次研究中，该团队受面粉、糖和盐等生活中常见的易潮解物质启发，选取魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan，简称为 KGM）、羟丙基纤维素（hydroxypropyl cellulose，简称为 HPC）和氯化锂（LiCl）三种材料成分来设计可快速吸水的轻薄膜材料。
图 | 超吸湿性聚合物薄膜的大气集水技术和设计原理（来源：Nature Communications）
据研究人员介绍，KGM 含有大量亲水基团，可被用于从空气中吸取水分；HPC 具有特殊的相变性质，可以实现对已吸收水分的快速释放与收集；而 LiCl 拥有较强的吸水性，能够提高薄膜材料的整体吸水量。
确定材料成分后，郭博士及团队设计了对照试验来调控各个组分之间的比重，以优化整体的材料设计方案。最终，他们确定了 KGM、HPC 和 LiCl 的合适浓度和比例，使得 SHPFs 薄膜既可以实现高吸水量和高吸水速率，并且在小于 60 摄氏度的合理加热温度下就可以快速释放水分。
据悉，研究人员利用商用的动态水分吸附设备（Dynamic vapor sorption）以及组内搭建的测试系统，实际验证了 SHPFs 薄膜的水分吸收速率、容量以及多次重复使用后的性能。
图 | SHPF 的制备和表征（来源：Nature Communications）
此外，他们使用 SHPFs 薄膜样品、电加热器和冷凝器设计了一种一体式大气集水装置，并在自然条件下的干燥天气中测试了该装置的性能。研究表明，在相对湿度处于 10.6-41.6% RH 的干燥条件下，该装置仍然可以每天从空气中提取大量水资源，且每千克 SHPFs 薄膜每天可以从空气中获取 5.5L 纯净水。
如上所述，该团队设计的这种薄膜材料有望为干旱地区的人群提供充足的水资源供给，极大地改善干旱地区的缺水问题和人民的生活水平。
郭猷弘称，这项研究最令其惊喜的是，材料的合成方法极其简单，只需要将前驱溶液混合，静置 2 分钟，再将样品进行常规冻干，即可用于实际的集水工作。下一步，她们将继续优化该材料的性能，并推动该材料的实际应用。
图 | 郭猷弘（来源：郭猷弘）
郭猷弘博士出生于陕西，本科及硕士毕业于加州大学圣地亚哥分校，博士毕业于德克萨斯大学奥斯汀分校，师从余桂华教授。现在，她在麻省理工学院（MIT）从事博士后研究，曾获得了美国材料学会研究生奖及中国政府自费留学生奖学金。
据郭猷弘博士表示，目前她刚入职博士后不久，其首要计划是把手上工作做好，将来会考虑回国发展。
-End-
参考：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
