南京林业大学付宇课题组ACS NANO：双吸水网络结构MXene复合气凝胶用于高效集水-除湿-发电

第一作者：蔡晨阳

通讯作者：付宇*

单位：南京林业大学

湿度对于人类的生产生活至关重要，高的湿度会对人类造成一定的负面影响。大气水收集（SAWH）技术是从干燥空气中提取水的最有前途的方法之一，目前传统的集水除湿材料（包括分子筛、硅胶粒等材料）仍受限于低吸附效率和循环稳定性差等问题。而气凝胶作为一种多孔材料，其较大的比表面积和三维多孔结构为大气水收集和除湿提供了独特优势。

近日，南京林业大学付宇教授课题组受树木定向结构和蒸腾作用的启发，充分利用木材纳米纤维素的结构优势，采用定向冻干技术形成具有定向孔结构的纳米纤维素-MXene（吸收水网络）气凝胶材料，以LiCl作为吸附水网络，从而实现大气水的高效收集。这种独特的双网络结构和微观上的定向结构提升了吸湿材料的水储存能力和循环稳定性。同时组装了一种高效的吸水-发电一体化装置，可以在77%的相对湿度下产生0.12V的电压。

受树木定向结构和蒸腾作用的启发，采用冰模板策略构建具有定向通道结构的MXene-纳米纤维素复合气凝胶结构，进而限域LICl实现高效大气水收集。这种微观结构上的孔道降低了水分传输的壁垒，提高了大气水与气凝胶之间的界面作用，进而提升气凝胶材料的吸水能力和循环稳定性。

通过利用MXene和纳米纤维素的氢键网络（吸收水网络）配合LiCl的吸湿网络（吸附水网络）提升材料的吸水效率和储存能力。由于LiCl的良好分散性和高效的定向孔道结构，气凝胶“泵”在30%、50%、70%和90%的相对湿度下分别表现出1.14 g/g、1.90 g/g、2.65 g/g和3.12 g/g的高吸水能力。并且吸收的水可以通过太阳光界面蒸发的方式重新释放出来，20次循环后依旧具有较好的稳定性。可以在短短6小时内将容器的相对湿度从80%降低到20%。

组装构建了一种持续性的大气水收集-发电的集成体系，可以在77%的相对湿度下产生0.12V的电压。由于气凝胶“泵”的吸湿性能，水分逐渐增加，导致水分吸附能力不对称，可形成较大的离子浓度差，就可以连续产生电流和电压。

Biomimetic Dual Absorption–Adsorption Networked MXene Aerogel-Pump for Integrated Water Harvesting and Power Generation System 

付宇教授简介：：南京林业大学材料科学与工程学院教授、博导，江苏省特聘教授。主要研究方向为：生物基高分子纳米复合材料、仿生气凝胶功能材料、聚合物电解质与电化学储能器件。在Advanced Functional Materials, ACS NANO，Energy Storage Materials, Nano Letters, Nano Energy, Small, Chemical Engineering Journal等期刊发表论文40余篇，授权发明专利15余项，出版中、英文专著各一部，主持和参与多项国家自然科学基金。

蔡晨阳：南京林业大学材料科学与工程学院副教授。主要研究方向：纳米纤维素功能气凝胶和生物质辐射制冷材料。以第一作者或通讯作者在Energy Storage Materials, Advanced Functional Materials, ACS NANO, Nano Energy, Nano Letters, Small, Chemical Engineering Journal等期刊发表论文25篇，授权发明专利4项。