宁波材料所【综述】吸湿性聚合物凝胶—向大气“索取”淡水和能源

全球人口爆炸式的增长使得人们对于淡水和能源产生了巨大的需求。尽管近年来在发展水-能获取的新技术方面取得了长足进步，但实现淡水和能源的可持续供给仍然存在重大挑战。这要求我们必须继续探索新的资源或技术，以丰富现有淡水和能源的来源和生产方式。由于全球水文循环，大气中蕴藏着约12900km3的湿气资源可以被用于制备淡水或进行能量管理，但却常常被忽视。因此，合理利用这一巨大的湿气资源，可为目前全球淡水和能源危机的缓解提供一种新的替代方案。大气湿气开发（atmospheric moisture exploiting，AME）技术可自发汲取空气中的湿气，进而通过水的利用实现淡水制备及能量管理等应用，因此被认为是一种具有前景的实现淡水和能源可持续的解决策略。在这方面，设计并开发新型功能性吸湿材料是实现AME技术迭代的关键核心之一。由于其高度可调的结构和性质，独特的多孔结构和溶胀特性，以及易与功能材料有效集成等特点，以三维交联聚合物网络为特征的吸湿性聚合物凝胶（hygroscopic polymeric gels，HPGs）已逐渐成为一种理想的AME平台材料，可将大气中的湿气资源有效地转换为淡水和能源资源，展示出巨大的应用前景和研究价值。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队陈涛研究员、肖鹏副研究员基于HPGs在吸湿聚合物凝胶开发及其在大气湿气资源开发方面的研究进展，在Matter上发表题为“Hygroscopic polymer gels toward atmospheric moisture exploitations for energy management and freshwater generation”的综述文章（Matter 2022 5, 2624-2658），系统回顾了HPGs的吸湿机制、构建策略以及其在水-能应用方面的系列进展，并概述了目前阶段所面临的挑战和机遇。

在该综述中，作者首先阐释了HPGs的吸湿机制，包括湿气吸附和湿气贮存，并系统总结了其物理结构和化学性质的一般设计原则。根据其凝胶材料结构和组成可将HPGs分为本征型HPGs和混合型HPGs。对于前者，无需引入额外的吸湿组份，仅通过调节单体或聚合物链的亲水性，就能使聚合物凝胶网络具有显著的吸湿性能。更重要的是，通过在这些亲水性凝胶网络中构建多孔结构，可进一步改善其吸湿动力学。另外，通过各种掺杂策略，包括浸泡-干燥、离子交换、互穿网络、原位共聚和溶剂置换等，将现有吸湿组份（固体干燥剂和液体吸湿剂）与凝胶网络进行复合可得到混合型HPGs，最终表现出协同增强的吸湿性能。在列举这些构筑策略的实例的同时，本综述还相应总结了其构-效关系。作者系统回顾了近年来HPGs在湿气裂解、吸湿-蒸发制冷、湿致发电、湿致变色、空气取水及湿气灌溉等水-能应用方面的最新进展。

HPGs的构建策略及其AME应用：向大气“索取”淡水和能源

尽管HPGs在近年来发展势头强劲，但现阶段仍存在一些问题和挑战。例如，未来需要进一步提升其吸湿性能，尤其是在低湿度环境条件下，以期望在淡水和能源生产中发挥更大的输出性能以满足实际使用需求。同时，还需进一步提升HPGs的再生效率，通过对材料和器件结构的优化来实现对其所吸收湿气的完全消耗，以再生其最大的吸湿能力。另外，在湿气利用过程中，未来其物理结构（内部多孔结构坍塌）和化学结构（气体杂质吸附）的稳定性也需要被进一步关注，以避免在其循环使用中出现性能的不可逆衰退。最后，HPGs的成本和宏量化生产是其进入大规模应用市场之前需要被考虑的两个方面，因此未来需要开发更低成本的材料体系以及更大规模化的生产技术来提升其市场竞争力。

该论文得到了国家自然科学基金（52073295）、宁波市科技局（2021Z127）、国家自然科学基金委中德交流项目（M-0424）、中国科学院前沿科学重点研发项目（QYZDB-SSW-SLH036）、中国科学院国际合作局 (174433KYSB20170061)、王宽诚教育基金（GJTD-2019-13）等项目的支持。

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.010