桑拿天?有了这种水凝胶,或许空调都可以不要了

2019-02-19 11:20:35, X-MOL


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盛夏季节,高温携手高湿形成的“桑拿天”是很多人的梦魇。不少人离开空调就几乎无法生存,空调不仅能降温,也可以通过冷凝降低室内湿度,让人体感觉更加凉爽舒适。但是,这种舒适感的代价却是用电量的飙升,一个夏天用掉一年电费的一半,对于很多家庭来说很正常。而且,用电量的飙升也意味着大量资源的消耗和大量的碳排放,不少城市都号召把空调温度调高1度,以节能减排。如果能有一种技术,不用电就可降低桑拿天时室内的温度和湿度,那岂不是鱼和熊掌兼得的美事?


日前,新加坡国立大学(NUS)的Swee Ching Tan教授团队在Energy Environ. Sci. 上报道了一种超吸湿多功能锌氧化物水凝胶体系,不仅能够吸收约230%自身重量的水汽,而且还可以基于湿度刺激实现体系光学、电学及电化学性能的变化,从而首次将空气中的湿气作为一种资源,在不耗电的情况下降低室内湿度,阻挡阳光中的红外线(IR)和紫外线(UV)从而降低室温甚至为小型器件供能,在建筑、汽车、电子等领域具有重要的应用前景。

Swee Ching Tan教授(左一)团队与他们的超吸湿多功能水凝胶。图片来源:NUS [1]


充分合理地开发利用环境中的各种能源,例如太阳能、地热能、风能、潮汐能等等,不但能满足人类生产生活的需求,还能够促进人类社会的可持续发展。目前,太阳能、地热能、风能、水力发电等能源开发利用较多,但是对于普遍存在的空气中的湿气(水分)的开发利用还相对较少,大部分集中在收集湿气获得生活用水上面,其他方面的应用鲜有报道。Swee Ching Tan教授团队所在的新加坡,靠近赤道,全年炎热多雨,高温且湿度大,“桑拿天”对他们来说是常态。Tan教授说,“新加坡常年空气相对湿度保持在70%至80%之间。这种潮湿环境中,空气中的水分几乎饱和,人体表面的汗水蒸发更慢,让我们的体感温度比实际环境温度更高,苦不堪言。而我们的新型水凝胶高效地去除空气中的水分,让人感觉更加凉爽。”[1]


研究团队将醋酸锌、乙二醇醚、氨基醇以及水混合制备了非化学计量配比的锌氧化物水凝胶体系。该水凝胶体系在不同环境湿度下存在水合(H)和脱水(DH)两种状态,不同状态的水凝胶体系的光学、电学及电化学性能显著差异。初始制备的水凝胶体系处于DH状态,处于相对湿度(RH)约60%的环境中经过2 h水凝胶能够吸收50%自身重量的水分,从而转变为H状态。进一步置于高湿环境(90% RH),这种水凝胶能够吸收超过自身重量200%的水分,从而达到饱和的水合状态(H*)。与硅胶、氯化钙等干燥剂以及已报道的诸多吸湿材料相对,该水凝胶体系的吸湿性能具有显著的优势。基于该水凝胶体系吸湿前后光学、电学及电化学性能的变化,研究人员设计了“智能”变色窗户、阻挡IR的汽车挡风玻璃、导电油墨、电化学电池以及除湿器等概念性应用模型。

锌氧化物水凝胶体系结构及其电化学、吸湿性能测试。图片来源:Energy Environ. Sci.


锌氧化物水凝胶体系的力学性能测试及优异吸湿性能展示。图片来源:Energy Environ. Sci.


在智能窗户的应用中,这种水凝胶能够方便地涂覆到玻璃上。吸水之前的水凝胶(DH状态)几乎完全透明(下图a),在可见光谱的平均透明度为98.3%;而吸水之后随着吸水率的升高透明度逐渐下降(下图b),变为不透明的吸水状态(H状态)。如果希望窗户重新变回透明,只需要将窗户设计成能180度旋转即可(下图c),在需要的时候将吸水的水凝胶涂层转到外侧,阳光暴晒就可使其脱水,变回透明的DH状态(下图g)。如果不方便改动窗户的设计,也可以对水凝胶涂层进行低电压低能耗的电加热,很快也可变回透明状态。

锌氧化物水凝胶体系作为智能窗户涂层的应用。图片来源:Energy Environ. Sci.


这种水凝胶体系通过吸收水分不仅可以阻挡可见光,还能阻挡约46%的红外辐射,从而有效减缓室温上升。吸水之后(H状态),这种水凝胶体系的红外透过率仅为53.68%,内壁涂有这种水凝胶的封闭玻璃烧杯,在相同的灯照条件下,内部温度要比没有涂层的低约7.2 ℃,效果与市场上的防眩防晒膜相当。研究者还在封闭空间内进行了巧克力的融化速度测试(下图e-h),没有水凝胶涂层的空间内,光照下巧克力条很快就因温度升高而融化,而有水凝胶涂层空间内,巧克力条“坚持”的时间几乎是前者的两倍。这个有意思的实验也证明水凝胶涂层能够有效减缓封闭空间内的温度升高,这意味着该水凝胶体系在建筑节能、汽车工业等方面有着重要的应用前景。

锌氧化物水凝胶体系光学性质变化及其“室内降温”应用。图片来源:Energy Environ. Sci.


此外,该水凝胶体系在吸水之后电学及电化学性质也会发生较大改变,可作为导电油墨在柔性印刷电路板中广泛应用;同时该水凝胶体系易于清除和可重复利用,这在减少固体电子废弃物等方面具有独特的优势(下图g-h)。研究小组还发现,以这种水凝胶为电解质的电化学电池可以产生相当于一节AA电池的功率输出(下图d),足以为小型电子设备(数字时钟/温度计/湿度计,下图e-f)供电。

锌氧化物水凝胶体系作为导电油墨、电化学电池的应用展示。图片来源:Energy Environ. Sci.


总之,本文作者基于锌氧化物水凝胶体系简便地实现了对环境中湿气资源的巧妙利用。这种水凝胶体系的光学、电学、电化学等性质可响应环境湿度,作为智能窗户功能涂层、可回收导电油墨、电解质等在建筑节能、电子电路等方面展现出良好的应用前景。该研究成果不仅有效利用了空气中的湿气资源,同时也为多功能性水凝胶体系的构筑和应用探索提供了借鉴。

视频来源:NUS [1]


不过,作者也承认,这种水凝胶如果作为智能窗户功能涂层来对付“桑拿天”,可能更适合类似新加坡这种终年高热潮湿的热带城市。(想想也是,像北京这种冬天还需要开加湿器的城市,明显不太适合)


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

A super hygroscopic hydrogel for harnessing ambient humidity for energy conservation and harvesting

Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE00902C


参考资料:

1.http://news.nus.edu.sg/press-releases/novel-hydrogel-harnesses-humidity



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