ADVANCED MATERIALS | 通过最大化膨胀诱导的盐负荷实现吸湿水凝胶的极端吸水

研究背景

随着社会不断发展，全球面临着能源和水供应的重大挑战，利用吸附剂可作为解决水问题和提高能源效率的重要手段，但目前存在的吸附材料无法满足行业需求。为此，研究人员利用多种材料制作具有高吸水率的吸湿水凝胶作为新型吸附剂。尽管做出这些努力，吸湿水凝胶没有接近典型吸湿盐的基本极限，并且在防止泄露方面存在一定局限。因而，麻省理工学院的Evelyn N. Wang团队将高吸湿性吸附剂的使用与前所未有的盐负载量相结合，每克聚合物可超过20克LiCl，以实现吸湿水凝胶创纪录的高吸水率。团队对聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶在不同浓度的氯化锂水溶液中进行了延长的溶胀实验，并将平衡溶胀比与溶胀动力学完全解耦。

相关研究成果以题为“Extreme Water Uptake of Hygroscopic Hydrogels Through Maximized Swelling-Induced Salt Loading”发表在国际材料领域顶尖期刊《ADVANCED MATERIALS》（IF=32.086）上。

研究结论

本研究通过获得前所未有的溶胀引发的盐负载量，实现了吸湿水凝胶创纪录的高吸水率，每克聚合物可超过20克氯化锂。通过实验和模型表征了聚丙烯酰胺在不同浓度氯化锂水溶液中的溶胀动力学和平衡，为获得大的盐负载量提供了指导。通过改变溶胀溶液的盐浓度和温度、水凝胶的交联密度、干燥方案，以及环境吸附条件，建立了吸湿水凝胶中溶胀（1）、盐负载（2）、吸水（3）和渗漏（4）之间的基本关系。在此基础上，研究提供了简单的设计指南，以实现吸湿水凝胶的最大吸水率和即使在高相对湿度条件下也不会渗漏。这项工作代表着吸湿性水凝胶成功整合用于许多水和能源应用的重要一步，如大气水收集、被动冷却、热能储存和空间调节。

研究数据

图1.通过将凝胶浸泡在氯化锂水溶液中，用盐负载聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶，形成吸湿性PAM-LiCl复合材料。a、 潮湿状态下的典型PAM水凝胶盘。b、 干燥状态下的PAM水凝胶圆盘。c、 PAM水凝胶的溶胀动力学示意图将LiCl水溶液分解为沿空间坐标z的一维瞬态传质问题。凝胶在盐溶液中的渐进溶胀增加了总盘厚度H及其直径L。d、水凝胶和盐溶液之间界面处溶胀过程的示意图。与水一起，盐离子（分别由红色和绿色表示的Li+和Cl‑）迁移到聚合物基质中，从而使凝胶负载吸湿盐。e、 凝胶网络的放大简化示意图，显示了通过N，N'-亚甲基双丙烯酰胺交联剂连接的聚合物链，其中xr表示交联之间的重复单元数。在盐溶液中溶胀后，凝胶内将存在大量离子

图2.PAM在氯化锂水溶液中的溶胀动力学。a、 水凝胶溶胀率，即当前样品重量除以初始干燥样品重量，作为溶胀时间的函数。符号显示测量结果：圆形、向上指向的三角形、正方形、向下指向的三角形和菱形分别表示0%饱和溶液、25%饱和溶液、50%饱和溶液、75%饱和溶液和100%饱和溶液中的溶胀。实线表示考虑到盐溶液非线性扩散到水凝胶中的我们的模型结果。溶胀温度为23°C。b、相对样品重量，即当前样品重量除以最终平衡样品重量，作为溶胀时间的函数，说明了水溶液中不同LiCl浓度的PAM溶胀动力学。c、 最后的盐装载溶胀过程是溶胀溶液中盐浓度的函数，通过热重分析（开放符号）测量并基于盐浓度预测（黑色十字）

图3.PAM水凝胶作为盐负载函数的性能。a，用动态蒸汽吸附装置测量的吸湿性，将纯LiCl的吸水率与PAM水凝胶在75%sat和25%sat LiCl水溶液中溶胀平衡后的吸水率进行比较，以及无盐的纯PAM和在合成过程中每克丙烯酰胺（AM）加入1 g LiCl的PAM（参见方法）。在30°C下测量纯PAM 和PAM 1 g g-1 LiCl，而其他样品在25°C下进行测量。B、吸附剂初始状态（实验开始时）的实例与25°C时在70%RH的环境中平衡时的外观。LiCl最初处于收到的干燥状态，而负载盐的水凝胶分别以75%sat和25%sat从其各自的LiCl水溶液中去除。虽然来自25%sat LiCl溶液的PAM水凝胶没有显示任何泄漏，但来自75%sat LiCl溶液的纯LiCl和PAM水凝胶都显示出大量泄漏。红色虚线突出显示水凝胶的边界。蓝色虚线表示泄漏的盐溶液。c、b中三个样品的相对质量，定义为平衡质量除以样品的干燥质量。对于纯LiCl，测量干质量，而对于含盐水凝胶，根据图2中的结果计算质量。我们区分了从样品中泄漏的盐溶液的量（灰色）和样品的质量，包括保留的盐溶液（绿松石）。百分比表示保留的相对数量。误差条突出了由于天平的精确性，测量值也有所不同。d、 热循环过程中PAM 25%sat LiCl的稳定吸水率。每个循环，样品在环境室中暴露于25°C和70%RH下10小时（吸附），在干燥烘箱中暴露于70°C下2小时。最终泄漏的盐溶液量为样品总重量的3%。e、 最大允许RH作为材料吸收分数（与纯LiCl的吸收相比）和溶胀比的函数的建模结果，同时避免泄漏。摄取分数由水凝胶的盐负载量来确定。对于更高的溶胀率，水凝胶浸泡在更多的盐溶液中，这在吸附过程中导致更高的吸收。对于较低的相对湿度，可以通过使用高浓度溶液将更多的盐加载到凝胶中而不会导致泄漏

图4.最大限度地提高PAM-LiCl复合材料的吸水率。a、 冻干PAM水凝胶圆盘。b、 与常规交联、烘箱干燥的PAM样品相比，冷冻干燥样品和交联程度较低的半MBA样品在25%饱和氯化锂溶液中溶胀时的溶胀率与溶胀时间。冻干样品和半MBA样品的平衡溶胀率分别提高了11%和37%。c、 溶胀后与25%饱和氯化锂水溶液达到平衡的初始冷冻干燥PAM圆盘。d，冷冻干燥后PAM凝胶的扫描电子显微镜（SEM）显微照片，显示了材料的多孔性质。e、 冻干PAM凝胶在与25%饱和氯化锂水溶液溶胀达到平衡后的SEM显微照片，以及随后的热干燥显示孔隙持续存在。f、 吸水率定义为捕获的水量除以样品的干重，如通过DVS对半MBA和冻干样品测量的。正如在单独的实验中验证的那样，两个样品的保水率都超过98%，最高相对湿度为70%（插图显示了在25°C下与70%相对湿度的环境平衡时的半MBA样品）。g、 半MBA和冻干样品在热循环过程中的稳定吸水率。每个循环，样品在25°C的环境室中暴露在70%RH下10小时（吸附），在70°C的干燥烘箱中暴露两小时（解吸）。泄漏的盐溶液的最终量分别为半MBA和冻干样品总样品重量的3.6%和0.9%。h、 i，将本工作在30%RH下1.79gg-1的吸水率与文献中其他水凝胶和其他吸附剂进行比较

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202211783

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