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

來(lái)源： Go Cellulose

由于人口增長(zhǎng),、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(yán)重的全球危機(jī)之一。近年來(lái),，利用太陽(yáng)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(yīng)從空氣中捕獲水蒸氣的出色能力,。然而,，LiCl仍然存在團(tuán)聚和泄漏的問題，導(dǎo)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(xué)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(yáng)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(shí),，其循環(huán)穩(wěn)定性得到顯著增強(qiáng)。

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(xué)測(cè)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(xì)噴嘴作為長(zhǎng)絲擠出,。此外，在低剪切應(yīng)力下,，儲(chǔ)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(duì)所得支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)齊（圖1h）,。此外，在支架的整個(gè)縱向上都發(fā)現(xiàn)了大量含有LiCl的微米級(jí)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(jí)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(xiàn),。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(shí)內(nèi)，CNF/LiCl-1.5（浸泡1.5M LiCl溶液半小時(shí)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(fù)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(jí)的孔隙（圖S12,，支持信息）,，這種無(wú)序的微米級(jí)孔隙的高曲折性會(huì)減小水蒸氣和氣凝膠之間的活性面積,，導(dǎo)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(jí)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(qiáng)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(yáng)光照下實(shí)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(yáng)能吸收劑，用于光熱轉(zhuǎn)換,。雙層氣凝膠（對(duì)照樣）的表面溫度在3 min內(nèi)迅速升高,，并在120 min后達(dá)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(yuǎn)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(jí)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)提供的蒸發(fā)界面來(lái)解釋。當(dāng)雙層支架暴露在陽(yáng)光下時(shí),，太陽(yáng)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(dǎo)致蒸發(fā)效率低。因此,，毫米級(jí)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對(duì)提高雙層支架-1.5的水分蒸發(fā)性能有顯著貢獻(xiàn),。圖片

圖3 雙層支架的水釋放性能表征

4.AWH實(shí)際性能測(cè)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(jì)算值為4.70g,，對(duì)應(yīng)1.28 g g−1吸水率,，與圖3c所示的數(shù)據(jù)相當(dāng)。之后,，將容器密封,，并于上午10點(diǎn)至下午5點(diǎn)在戶外陽(yáng)光下進(jìn)行放水實(shí)驗(yàn)。開始時(shí),，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(duì)應(yīng)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(shí)際應(yīng)用測(cè)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(jí)孔結(jié)構(gòu)的3D打印CNF支架,，用于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的AWH。微米級(jí)的孔隙有效地限制了LiCl,，而垂直毫米級(jí)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(yáng)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(diǎn)
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(jí)孔結(jié)構(gòu)的3D打印CNF支架,，探究了其在AWH中的應(yīng)用,。

啟發(fā)
3D打印多孔支架的功能：
1)微米級(jí)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(jí)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(qiáng)了支架的吸水率;
3)毫米大小的孔隙也縮短了水的擴(kuò)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(biāo)性能,。

文章來(lái)源
https://doi.org/10.1002/adma.202306653