UT Austin余桂华教授课题组：自组装模板制备的高弹性多孔水凝胶用于太阳能水净化

通讯作者：余桂华

通讯单位：德克萨斯大学奥斯汀分校

 

在自然阳光下，多孔水凝胶的界面蒸发表现出高效的太阳能蒸发性能，确保了清洁水供应。然而，实现具有耐用机械性能的可扩展和即用型水凝胶材料仍然具有挑战性。

 

基于此，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队开发了一种简单且低成本的方法，自组装模板(SAT)，合成具有增强的机械性能的三维(3D)、大规模、高度互连的多孔水凝胶(IPHs)，可用于制造具有优异脱盐性能的大型弹性水凝胶蒸发器。相关工作以“Highly Elastic Interconnected Porous Hydrogels through Self Assembled Templating for Solar Water Purification”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

 

图1. IPH的制造和表征。

 

要点1. 低曲折度和可调孔径的水凝胶高度互连的多孔结构使水传输速率具有高度的可调性。主要通过调控模板中牺牲颗粒的直径，可以精确控制IPH的孔径，这使得水凝胶蒸发器的水传输具有高达3个数量级的高度可调性。

 

要点2. IPHs具有增强的弹性，易于加工，经过数百次卷曲、折叠和扭曲后形状恢复迅速和耐用的机械性能的特点，在数百次滚动、折叠和扭曲后仍保持稳定的蒸发性能。

 

要点3. 通过对水分输送和热量定位的优化，在一次阳光照射下，平均孔径为75 um的IPH蒸发器达到了-2.8 kg m-2h-1的蒸发率和-90%的太阳能-蒸汽效率，明显超过了具有相同材料成分的冻干水凝胶。

 

凭借优异的净水能力和优异的机械性能，所提出的无冷冻干燥SAT方法为扩大水凝胶太阳能提供了一种有前景的方法，将加速水凝胶太阳能蒸发器的工业化以实现实际应用。

 

图2. IPHS中的可调水传输。

 

图3. IPH蒸发器的太阳能吸收和热量管理。

 

图4. IPH蒸发器的稳定水蒸发性能。

 

链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202114074

 

 

余桂华，美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系、机械工程系终身教授。2003年毕业于中国科技大学化学系，取得学士学位并获本科生最高奖“郭沫若奖学金”，2009年于哈佛大学获得博士学位，师从美国科学院院士和世界纳米领域著名科学家Charles Lieber教授。2009年于斯坦福大学师从鲍哲南教授和崔屹教授从事博士后研究工作，2012年加入德克萨斯大学奥斯汀分校。该团队主要致力于纳米能源环境材料，特别是功能化凝胶材料、二维能源材料。纳米结构功能凝胶材料结合了传统高分子和纳米材料的特性，应用前景广泛。在多功能凝胶的研究上取得多项突破性的科学进展，开发多功能凝胶的实际应用。其实验室研究出的有机多功能凝胶，在未来能源器件中将有大的突破。

 

目前，该团队已在Science、Nature、Nature Nanotechnology、Nature Communications、PNAS、Chemical Society Reviews、Energy Environ. Sci.等国际著名刊物上发表论文超过150篇，被引用超过23000次，其中多篇论文被期刊选为非常重要论文或热点论文。其发表工作曾被多个国际媒体亮点报道，其中包括Nature News、Science News、ABC News、Fox News等等。现任Chem (Cell Press)、Energy Storage Materials (Elsevier)等6个国际期刊的编委。曾获多项重要的国际学术奖励，他曾获得2019年国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)100周年青年化学家奖，2018年获美国化学会“杰出青年科学家”奖，2018年获美国化学会能源科技新兴领袖奖，2017年当选英国皇家化学学会会士(FRSC)，2016年获得美国最著名的奖项之一斯隆研究奖(Sloan Research Fellow)，2014年荣膺美国麻省理工(MIT)评选的全球35位杰出青年创新人物之一，2010年跻身国际纯粹与应用化学联合会颁发的五位国际青年化学家奖之一等。