Nanoporous sponges for atmospheric water harvesting

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Water scarcity threatens more and more people in the world - examples from various regions highlight the severity of this issue. Cape Town (South Africa) imposed stringent water restrictions in 2018 in response to shortages. Closer to home, water restrictions were put into place in Quebec in the summer of 2020, and First Nation communities have been confronted with fresh water issues for years. These examples illustrate that water scarcity is a ubiquitous issue, even in Canada, and this is exacerbated by climate change. Alternate water sources, including adsorption from the atmosphere, are needed to secure a fresh water supply. Nanoporous sponges (NPS) are new carbon-based adsorbents synthesized via the pyrolysis of low-cost materials, achieving comparable performance to metal organic framework (MOF) based systems, but at significantly lower cost. This material was developed at Polytechnique Montreal, in partnership with McGill University and Awn Nanotech, via a collaborative research endeavour started in 2017. The proposed research aims to bridge the gap between lab scale prototyping and end-user uptake by addressing key fundamental issues. Specifically, we aim to: (1) Create a roadmap for NPS synthesis scale-up and evaluate new methods for improved synthesis and functionalization; (2) Identify the key parameters impacting water capture and subsequent release through both theoretical modelling and experimental validation, and quantify energy requirements; and (3) Fabricate and test next generations of water capture prototypes based on NPS technology and benchmark them against other adsorbents, while validating water quality. This high-risk, high-reward project will first and foremost impact Canada's at-risk population - First Nation communities will be key participants in prototype evaluation, with the collaboration of community leaders and social scientists well-versed in technology uptake. Further effects will be felt in the Canadian economy, both through direct markets, but also through the creation of high-value jobs in the advanced materials sector, and the establishment of Canada as a leader in the field of water resource generation, committed to helping vulnerable communities affected by water scarcity.#(cr)#(lf)Les pénuries d'eau menacent de plus en plus de personnes. Cape Town (Afrique du Sud) a dû imposer de sévères restrictions sur la consommation d'eau en 2018 en raison de pénuries extrêmes. À l'été 2020, au Québec, des restrictions ont dû être mises en place, et les Premières Nations sont mises à l'épreuve par des problèmes d'accès à l'eau potable depuis plusieurs années. Ces exemples illustrent que le stress hydrique n'a pas de frontières et s'empire en raison des changements climatiques. Des sources d'eau alternatives, incluant l'adsorption depuis l'atmosphère, sont nécessaires afin de sécuriser nos ressources hydriques. Les éponges nanoporeuses (NPS) sont de nouveau adsorbants à base de carbone, synthétisées par pyrolyse de précurseurs économiques qui permettent d'atteindre des performances comparables aux matériaux MOF de pointe, mais à plus faible coût. Les NPS ont été développées à Polytechnique Montréal, en partenariat avec l'Université McGill et Awn Nanotech, via une collaboration entamée en 2017. Le projet proposé vise à combler l'écart entre prototype de laboratoire et mise en oeuvre auprès des utilisateurs en s'attaquant à des questions fondamentales. Spécifiquement, nous visons : (1) comprendre les paramètres affectant la mise à l'échelle du processus de synthèse de NPS et évaluer des approches pour améliorer leurs propriétés ; (2) identifier les paramètres affectant la capture d'eau et le relargage, via des modèles théoriques et une validation expérimentale, et quantifier les requis énergétiques ; et (3) fabriquer et tester de nouvelles générations de dispositifs pour la capture d'eau basés sur les NPS, tout en validant la qualité de l'eau produite. Ce projet à fort potentiel d'impact sera hautement