3D打印具有多級孔結(jié)構(gòu)的纖維素納米纖維氣凝膠支架，用于快速太陽能驅(qū)動大氣水收集

來源： Go Cellulose

由于人口增長、水污染和氣候變化等多重因素的影響，淡水短缺已成為最嚴重的全球危機之一。近年來，利用太陽能的吸附式大氣集水（AWH）正在成為緩解水資源短缺的有效策略。由于AWH技術(shù)的工作原理是基于水的吸附和解吸，因此這種AWH裝置的性能主要由吸附劑決定。吸濕鹽是成熟的工業(yè)產(chǎn)品，尤其是氯化鋰（LiCl），其通常用作干燥劑，并且具有通過水合反應從空氣中捕獲水蒸氣的出色能力。然而，LiCl仍然存在團聚和泄漏的問題，導致吸水率降低，循環(huán)穩(wěn)定性低。

文章概述
不列顛哥倫比亞大學姜鋒教授等人開發(fā)了一種將纖維素納米纖絲(CNF)、LiCl、碳納米管 (CNT) 集成到雙層結(jié)構(gòu)中的3D打印支架。通過3D打印和冷凍干燥制備的多尺度多孔底層在吸濕性LiCl的輔助下可以捕獲空氣中的水蒸氣。頂部CNF/CNT層可以將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為熱量，蒸發(fā)吸收的水。所制備的雙層支架表現(xiàn)出較高的吸水率和蒸發(fā)率，同時，其循環(huán)穩(wěn)定性得到顯著增強。

1.CNF及CNF/LiCl支架的基本性質(zhì)
通過研究TEMPO氧化CNF的流變性能，探討其可印刷性。濃度為2.0、2.5和3.0 wt%的CNF油墨均表現(xiàn)出高粘度和類固體行為。流變學測試表明，所有CNF油墨都具有剪切變稀特性，這表明油墨具有良好的印刷適性，并且可以通過細噴嘴作為長絲擠出。此外，在低剪切應力下，儲能模量高于損耗模量，證明了其類固體行為。

使用掃描電子顯微鏡對所得支架的結(jié)構(gòu)進行表征。在截面上可以觀察到印刷的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在垂直方向上高度對齊（圖1h）。此外，在支架的整個縱向上都發(fā)現(xiàn)了大量含有LiCl的微米級孔隙（圖1i）。3D打印形成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和冷凍干燥引入的微米級結(jié)構(gòu)，以及LiCl在支架孔隙中的均勻分布，有望為所制備的支架的AWH性能做出貢獻。圖片

圖1 CNF的形貌、CNF油墨的流變特性以及制備的CNF/LiCl支架的物理性質(zhì)和形貌表征

2.CNF/LiCl支架的吸水性能
在12小時內(nèi)，CNF/LiCl-1.5（浸泡1.5M LiCl溶液半小時得到的CNF/LiCl支架）的吸水率為1.59 g g−1，性能優(yōu)于具有相似LiCl負載和尺寸的CNF/LiCl氣凝膠的吸水率。CNF/LiCl-1.5的吸水率大大提高可歸因于其結(jié)構(gòu)。CNF/LiCl氣凝膠僅具有微米級的孔隙（圖S12，支持信息），這種無序的微米級孔隙的高曲折性會減小水蒸氣和氣凝膠之間的活性面積，導致吸水率低。相比之下，CNF/LiCl-1.5 具有毫米/微米孔隙的組合，其中毫米級的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有助于與周圍空氣形成更大的活性面積，從而增強吸水能力。圖片

圖2 CNF/LiCl支架吸水性能表征

3.CNF/LiCl-CNF/CNT雙層支架的水釋放性能
為了在太陽光照下實現(xiàn)CNF/LiCl支架的水分蒸發(fā)，在CNF/LiCl-1.5的表面涂覆了一層CNF/CNT作為太陽能吸收劑，用于光熱轉(zhuǎn)換。雙層氣凝膠（對照樣）的表面溫度在3 min內(nèi)迅速升高，并在120 min后達到62.5°C，比雙層支架-1.5（55.2°C，圖3f）具有更高的表面溫度。然而，雙層氣凝膠的質(zhì)量變化和蒸發(fā)速率都遠低于雙層支架-1.5（圖3g，h）。雙層支架-1.5的水釋放性能的提高可以通過毫米級網(wǎng)格結(jié)構(gòu)提供的蒸發(fā)界面來解釋。當雙層支架暴露在陽光下時，太陽光不僅被CNF/CNT頂層吸收，也被垂直網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的墻體吸收;因此，水可以從雙層支架-1.5的頂面和內(nèi)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中蒸發(fā)（圖S24a，支持信息）。相比之下，雙層氣凝膠吸收的水只能從致密的CNF/CNT頂層逸出（圖S24b，支持信息），導致蒸發(fā)效率低。因此，毫米級網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對提高雙層支架-1.5的水分蒸發(fā)性能有顯著貢獻。圖片

圖3 雙層支架的水釋放性能表征

4.AWH實際性能測試
吸水前后的雙層支架-1.5總重量分別為3.66和8.36 g（表S6），其中吸水量計算值為4.70g，對應1.28 g g−1吸水率，與圖3c所示的數(shù)據(jù)相當。之后，將容器密封，并于上午10點至下午5點在戶外陽光下進行放水實驗。開始時，吸收的水蒸發(fā)得很快，透明的塑料蓋變得起霧（圖4b）。隨著水的不斷蒸發(fā)，水霧凝結(jié)在容器的內(nèi)壁上（圖4b中的插圖）。最后，釋放2.88 g液態(tài)水，收集2.32 g液態(tài)水（圖4c），分別對應61.3%的蒸發(fā)效率和49.4%的集水率。收集的 2.32 g水代表0.63 g g−1 day−1產(chǎn)水量。圖片


圖4 AWH實際應用測試

結(jié)論
本文通過3D打印和冷凍干燥結(jié)合LiCl浸漬，開發(fā)了一種具有多級孔結(jié)構(gòu)的3D打印CNF支架，用于太陽能驅(qū)動的AWH。微米級的孔隙有效地限制了LiCl，而垂直毫米級的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)通過增加與周圍空氣的暴露活性面積，大大提高了3D打印結(jié)構(gòu)的吸水率和蒸發(fā)率。借助毫米/微米的多尺度孔隙，3D打印支架顯示出比傳統(tǒng)凍干氣凝膠高1.6倍的吸水率和2.4倍的水釋放率。在室外太陽光照下，該3D打印支架產(chǎn)水量為0.63 g g−1 day−1。

創(chuàng)新點
通過3D打印和冷凍干燥結(jié)合LiCl浸漬的方法，開發(fā)了一種具有多級孔結(jié)構(gòu)的3D打印CNF支架，探究了其在AWH中的應用。

啟發(fā)
3D打印多孔支架的功能：
1)微米級的孔隙將 LiCl 顆粒限制在支架中，最大限度地減少泄漏和結(jié)塊;
2)垂直毫米級的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為吸水提供了更多的活性區(qū)域，從而增強了支架的吸水率;
3)毫米大小的孔隙也縮短了水的擴散路徑，并允許水在支架和空氣之間快速轉(zhuǎn)移。不同尺度的孔發(fā)揮了不同的作用，它們的協(xié)同作用提高了材料的目標性能。

文章來源
https://doi.org/10.1002/adma.202306653