近日，東華大學紡織學院覃小紅教授、王黎明研究員在Energy & Environmental Materials上發表題為「A Rapid-Ab/Desorption and Portable Photothermal MIL-101(Cr) Nanofibrous Composite Membrane Fabricated by Spray-Electrospinning for Atmosphere Water Harvesting」的研究型論文。文章第一作者為博士研究生李艾琳。
亮點
1.通過靜電紡—噴塗技術，將MIL-101(Cr)均勻分散在聚丙烯腈/碳納米管（CNT）納米纖維網絡中，避免納米顆粒堆積。
2.納米纖維網絡形成的氣流通道充分暴露了MIL-101(Cr)的吸附位點，顯著提高了MIL-101(Cr)的水分子吸附效率。
3.MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜展現了超短的單次吸附/解吸循環周期(50min)和15.9 Lkg−1d−1的單日產水量。
引言
由於具有優異的水熱穩定性、合適的孔徑尺寸和高產水量等優點，MIL-101(Cr)被視為空氣集水領域中最有潛力的候選材料之一。為了進一步提高MIL-101(Cr)的日均產水量，許多團隊採取通過給MIL-101(Cr)改性或複合其他吸附材料的方法提高日均產水量。然而，MIL-101(Cr)顆粒容易發生團聚，其表面的水分子吸附位點易被遮擋，從而影響水分子的傳輸速度和吸附效率。此外MIL-101(Cr)粉末也存在攜帶不方便、使用不便捷的缺點。鑑於上述問題，本團體採用將MIL-101(Cr)填充在納米纖維網絡中的策略，來避免MIL-101(Cr)的團聚，縮短MOF吸收/解吸周期從而提高日均產水量。
本工作通過靜電紡—噴塗方法製備了一種負載MIL-101(Cr)的光熱納米纖維複合膜，用於空氣集水。利用噴塗的方法將MIL-101(Cr)填充在聚丙烯腈/CNT納米纖維網絡中。MIL-101(Cr)顆粒在聚丙烯腈/CNT納米纖維網絡中均勻分散，避免了MIL-101(Cr)薄膜和顆粒中存在的團聚現象。而且，聚丙烯腈/CNT納米纖維網絡中互連開放的微通道提供了豐富且連續的水分子傳輸路徑，促進了水分子的吸附和解吸。此外，由於碳納米管優良的光熱性能，聚丙烯腈/CNT納米纖維網絡還可以作為太陽能熱源，在一個太陽光強度照射下展現出92.8%的太陽能吸收率和70.7°C的表面溫度，可使水分子在加熱作用下快速解吸。MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜每天可進行15次吸附/解吸循環，在98%相對濕度下日均吸水量為15.9 Lkg−1d−1，足以滿足人類日常飲水量的需求。這種通過將MIL-101(Cr)分散到多孔納米纖維基質中方法來縮短單次吸附解吸循環周期，從而提高日均產水量的方法為便攜式太陽能驅動的空氣技術提供了一種新視角。
圖 1.結構表徵。a) 聚丙烯腈/CNT納米纖維的電鏡照片。b、c)不同放大倍數下MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜的電鏡照片。d) 分層的MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜和MIL-101(Cr)粉末壓片的照片。e) MIL-101(Cr) 、MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜與聚丙烯腈/CNT的XRD圖。f)柔軟的MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜和易碎的MIL-101(Cr)壓片照片對比。g)MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜與MIL-101(Cr)粉末的N2吸附-脫附等溫線。h) MIL-101(Cr)粉末和MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜的孔徑分布曲線。i) 聚丙烯腈納米纖維基質中不同MOF可負載量的對比。
圖 2.吸濕性能表徵。a) 聚丙烯腈/CNT納米纖維、MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜、MIL-101(Cr)壓片、MIL-101(Cr)粉末在25℃、98% RH條件下的吸濕平衡。b)MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜的結構示意圖。c) MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜在不同濕度下的吸濕性。d) MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜在25°C和98% RH下的吸收循環穩定性。插圖為MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜吸濕前(左)和吸濕後(右)的照片。
圖 3.光熱轉換性能表徵。a)聚丙烯腈、MIL-101(Cr)和MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜的光吸收率。灰色陰影顯示標準AM1.5 G太陽光譜加權的太陽光譜輻照度。b) 聚丙烯腈、MIL-101(Cr)和MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜在1kw m−2（一個太陽光強）輻照強度下的表面溫度變化。c) 不同太陽光輻照強度下，MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜的表面溫度。
圖 4.放濕性能與表面溫度變化。a、b) 0.35個太陽光強下MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜、MIL-101(Cr)壓片和MIL-101(Cr)粉末的含水量隨時間變化。c)太陽能驅動的MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜水分釋放過程示意圖。d)干態、濕態(達到吸濕平衡)的MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜表面溫度隨時間的變化。
圖 5.循環性能和日產水量測試。a) 基於MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜的連續吸濕/解吸集水器的工作原理示意圖。b) MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜的循環穩定性表徵。c)具有代表性的空氣集水材料日均產水量比較。
圖 6.MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜的示範性應用。a) MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜應用領域示意圖。b) 空氣集水。採用MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜集水的離子濃度檢測。c) 用於汗液吸收。受試者出汗時，(1、2)與(3、4)不使用MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜基布時，箱內濕度變化(模擬穿着濕衣服的受試者)的對比。d) 用於室內除濕。1.連續除濕試驗裝置。2.通過MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜實現室內除濕的水分子輸送示意圖。3.採用MIL-101(Cr)光熱納米纖維複合膜除濕窗的單日光照條件下室內相對濕度和溫度隨時間的變化。
Ailin Li,Jian Xiong,Ye Liu,Liming Wang*,Xiaohong Qin*,Jianyong Yu.A Rapid-Ab/Desorption and Portable Photothermal MIL-101(Cr) Nanofibrous Composite Membrane Fabricated by Spray-Electrospinning for Atmosphere Water Harvesting.Energy Environ. Mater.2022.DOI: 10.1002/eem2.12254
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12254
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