具有温敏性与光热转换性双功能智能化的雾水收集材料构建及其应用研究

Water resource shortage has been a severe problem restricting the economic and social development of our country. While the fog water resources are abundant in China, their utilization is merely about 20% due to the limitations of existing technologies. Therefore, developing highly efficient fog water collection materials is pivotal to the practical utilization of fog water resources. Herein this project aims to design a smart dual-function fog collection material based on grafting tri-block copolymer (A-B-A) on the surface of reduced graphene oxide (RGO): On one hand, the thermosensitive yet hydrophilic A chains in the copolymer could stretch out to effectively capture and store fog water at low temperature, and concurrently the hydrophobic B chain enables to slide or rebound fog water to chain A, thereby improving the efficacy in fog water collection; On the other hand, RGO as one of photothermal conversion materials, is capable of converting solar energy into thermal energy to increase the temperature of A chains, which makes A chains shrinking by hundreds of times in volume, resulting in the release of the absorbed fog water for intelligent water collection. In this project, we will systematically investigate the correlations between the structure and the thermosensitivity of tri-block copolymers, and elucidate the synergistic effect of the thermosensitivity and photothermal conversion of the dual-function material on fog water collection. This study will shed light on the design of other smart fog water collection materials, opening a new window in solving the problem of water resource shortage.

水资源短缺已经成为制约我国经济和社会发展的难题，开发利用雾水资源或是解决该难题的有效途径。我国雾水资源量丰富，但由于现有技术的制约，雾水资源的利用率仅为20%左右。因此，开发高效的雾水收集材料是当前雾水资源利用的关键。本项目拟设计一种基于三嵌段聚合物（A-B-A）接枝还原氧化石墨烯（RGO）的智能化双功能雾水收集材料：一方面，三嵌段聚合物的A链具有温敏性，在低温时，其亲水性使链伸长，可以有效地捕捉和存储雾水，而疏水性的B链可以将雾水滑动或者反弹到两端的A链，从而提高雾水收集能力；另一方面，RGO具有光热转换性，可以快速将太阳能转换成热能，使A链温度升高并发生数百倍的体积收缩，释放吸附的雾水，从而达到智能化雾水收集的目的。本项目将系统研究三嵌段聚合物的结构对其温敏性的影响规律，揭示材料的光热转换性和温敏性对雾水收集的协同作用机制，为开发智能化雾水收集材料，解决水资源短缺的难题提供了新思路。

开发高性能雾水收集材料有望成为解决水资源危机的有效途径，但是目前雾水收集材料存在吸附速率慢，脱附性能差，能耗高等难题。基于此，本项目主要以光热转换碳材料为基底 (碳化羧甲基纤维和还原氧化石墨烯)，并复合各种功能材料 （吸湿盐和温敏聚合物），开发具有光热转换性能雾水材料。主要研究内容如下；1）针对材料孔隙结构(如孔隙大小和孔隙率)对水分子传输和蒸发效率的影响机制仍存在争议问题,研制了一种具有可控多孔结构的多孔材料，揭示了孔隙率对水分子传输和蒸发效率影响规律，推动了多孔材料在对水分子传输和蒸发相关领域的应用，为开发高性能的多孔雾水收集材料奠定了基础；2）针对雾水吸附量低问题，设计了一种负载吸湿盐的光热转换性吸湿凝胶，实现了对雾水分子的快速地捕获和释放，提高了吸湿凝胶的雾水收集性能（4.7倍）；3）具有可切换润湿性温敏材料非常适合应用于雾水收集，但存在着相变温度高的难题。在此，利用原位自由基聚合制备了一种具有温敏性和光热转换性双功能智能雾水收集材料，揭示了光热转换性和温敏性协同作用对雾水吸附和脱附影响机制，实现了自动水分子捕获 (夜间)和释放（白天），为智能响应材料的设计和应用提供了启示；4）受沐雾甲虫的皮肤表面由交替的蜡质疏水的区域和非蜡质亲水的区域启发，设计一种具有温敏性三嵌段聚合物（A-B-A，A是温敏性聚合物，B是疏水聚合物）用于雾水收集，揭示了三嵌段聚合物亲水性-疏水性转换与光热转换性能的匹配机制，实现了雾水快吸附和快脱附；5）针对水体细菌处理的问题，设计超小的，生物安全性良好抗菌材料，阐明了抗菌材料在光照下抗菌机理，为水体杀菌的应用奠定了基础。在本项目的资助下，申请人在Nano Energy, Biomaterials, Renewable Energy, Journal of Materials Chemistry A, Nanoscale等权威期刊上发表论文8篇，获授权专利4项；培养硕士研究生6名，相关研究成果获得2021年度中石化联合会科技进步三等奖。另外，相关研究成果获得国内外研究同行的广泛关注。