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寧波材料所在大氣吸濕離子凝膠用于動態穩定的蒸發制冷方面取得進展
作者:,日期:2021-10-17

  隨著世界經濟和人口的不斷增長,淡水和能源供給已經成為當今社會最大的挑戰。如何通過可持續的方式來獲取水和能源也已成為一個迫切需要解決的全球性問題。由于全球水文循環,我們生活的大氣中蘊藏著豐富的濕氣資源(約50000 km3),雖無處不在但很少被有效利用。因此,高效地從空氣中吸收濕氣,并將其用于淡水或能源收集將成為一種實現可持續發展的有效方法。

  中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子團隊前期受到鐵蘭屬植物從空氣中吸濕行為的啟發,通過用親水性的聚甲基丙烯酸鈉/丙烯酰胺的高分子網絡來容納吸濕性的有機甘油溶劑,提出了一種仿生吸濕有機復合凝膠,可用于高效地從空氣吸濕集水(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59,19327),該工作也受到Nature的評述(Nature,2020,584,11)。

  由于高的潛熱值(約2450 J g-1),水被認為是一種理想的相變材料,其蒸發過程可被用于過熱表面的制冷降溫。因此,通過吸濕材料將空氣中的濕氣進行富集,可有效地用于器件的蒸發制冷。最近,研究人員通過將具有吸濕性的離子液體1-乙基-3-甲基咪唑乙酸鹽([EMIM][Ac])分散在親水性的聚(丙烯酸-co-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)(P(AA-co-AMPSA))網絡中,制備得到了一種兼具強吸濕性和粘附性的離子凝膠(RIG),并將其用于熱電發電機(TEG)的蒸發制冷以提升其電力輸出(圖1a)。實驗結果表明,相比于商業化的金屬散熱器(AHS),吸濕后的RIG能夠幫助TEG器件實現更加明顯且持久的蒸發制冷效果,且其制冷效果可通過RIG在空氣中吸濕再生而恢復(圖1b-c)。另外,由于[EMIM][Ac]的引入,在多重超分子相互作用的作用下,RIG在吸濕前后都表現出對TEG表面可觀的粘附強度。因此,RIG在為TEG蒸發制冷過程中可以保持一個穩定的制冷界面,克服了傳統水凝膠在制冷過程因過度水蒸發而產生的界面剝離現象?;诖?,該RIG能夠為一個裝載在一個動態的過熱表面(加速度約為63.8 m s-2, 表面溫度約為103 ℃)的TEG進行有效的蒸發制冷,以顯著提升其工作效率(圖2)。

  該工作近期以題為“Atmospheric Hygroscopic Ionogels with Dynamically Stable Cooling Interfaces Enable a Durable Thermoelectric Performance Enhancement”為題發表在Adv. Mater., 2021, DOI:10.1002/adma.202103937。該工作得到了國家自然科學基金(51803226、52073295)、中德交流項目(M-0424)、中國科學院前沿科學重點研發項目(QYZDB-SSW-SLH036)、中國科學院國際合作局 (174433KYSB20170061)、王寬誠教育基金(GJTD-2019-13)等項目的支持。

圖1 a)吸濕凝膠RIG的構建及其蒸發制冷的工作機制;b)不同制冷模式下TEG熱端冷端的溫度差;c) RIG用于TEG冷端的蒸發制冷,以提升其工作效率

圖2 RIG用于動態穩定的蒸發制冷

 ?。ǜ叻肿优c復合材料實驗室 倪鋒)

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