过渡金属配位结构调控超吸水凝胶对低湿度空气水的捕获行为及机制
批准号:
52203351
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
杨林
依托单位:
学科分类:
新概念材料
结题年份:
2025
批准年份:
2022
项目状态:
已结题
项目参与者:
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中文摘要
开发高效的吸水凝胶,实现温和条件下捕获干旱地区的气态水,是节能环保及获取淡水资源的理想形式。然而,常见的吸水材料难以直接与水分子快速耦合,因此存在吸附速率慢和脱附能耗高的问题。本项目拟通过过渡金属配位化合物的结构调控,从提升电子空轨道与孤电子对配位、相转变过程中的能量转移等独特的角度出发,揭示配位化合物的结构协同调控规律及其与水分子耦合过程中的能量转移规律。以增强对水分子的吸附动力为核心,在金属基超吸水凝胶的宏观尺度、纳米尺度和分子尺度上进行多尺度结构调控,大幅提高吸水凝胶捕获气态水并将其转化为液态水的性能。结合吸附动力检测与理论计算,深入分析配位化合物的结构形成规律和耦合水分子的物理机制,并探索单/多金属基超吸水凝胶结构与吸附量、吸附速率和脱水温度之间的关系,建立直接从低湿度空气中捕获水分子的效能评价体系。项目成果将丰富水分子气液相转变的基础理论,为极端气候条件下获取水资源开拓新的途径。
英文摘要
Developing a hygroscopic hydrogel to capture gaseous water at low humidity condition is an idea strategy for water generating and energy saving. However, for common materials, they are difficult to couple with water efficiency, and the inherent problem is the slowly hydration rate and highly dehydration temperature. Here, by an unique method, according to the coordination of electron empty orbits and lone electrons, we intend to integrate the energy transfer controlled transition metal complexes, and going to reveal the law of structure regulation and energy transfer in the process of coupling with water molecules. To enhance the adsorption kinetics, multi-scale structure regulations are carried out at the macro, nano, and molecular scale for our atmospheric water harvesting system. Combining with adsorption kinetic tests and theoretical calculations, we plan to analyze the formation mechanism of coordination compounds, and clarify the physical mechanism of water adsorption. We will also investigate the relationship of super hygroscopic hydrogels’ structure and adsorption capacity, adsorption rate, and dehydration temperature, and establish an evaluation system for directly moisture harvesting. We believe our results will strengthen the basic theory of gas-liquid phase transition with water molecules, and open up a new strategy to obtain water resources under extreme climate conditions.
本项目针对当前大气集水凝胶效率低、能耗高的瓶颈问题,旨在阐明凝胶表面金属配位结构对水分子气液相变及传输的调控机制,并据此指导高性能集水凝胶的理性设计。通过分子结构设计、多尺度表征与原位谱学分析相结合的方法,系统研究了配位键类型、凝胶网络结构与水吸附/脱附性能之间的构效关系。.研究取得以下重要发现.1)揭示了过渡金属d电子空轨道对金属配位化合物分子结构的协同调控规律,明确了金属与非金属的配位结构作为吸水活性位点捕获空气水分子的吸附过程,使凝胶能够精准吸附低湿度环境空气水。通过高频超声振荡和冷冻干燥法,制备出孔径与粒径皆可调的凝胶纳米材料,常温常压且静态作用下,金属基吸水凝胶在30% RH下的吸附容量超1 g g–1,在>90% RH下的吸附容量超过5 g g–1。.2)通过原位光谱证实了水分子在相变与传输过程中存在“配位水层–体相水”的快速交换机制,阐明了凝胶内分级孔道对水分定向运输的协同增强作用。我们还发现凝胶捕获水分子过程包括初始阶段的单层化学吸附,吸附能>70 kJ mol–1,然后物理吸附多层水分子,吸附距离<100 nm,吸附能耗<40 kJ mol–1,其低能耗吸附决定了凝胶的快速吸脱附动力学特征。.3)成功构建了兼具高吸附容量、快速动力学及低温(<50°C)脱附特性的吸水凝胶,建立了凝胶结构与吸附量、吸附速率和脱水温度之间的关系。组装空气制水装置,利用金属基吸水凝胶,设计出一款无源空气集水装置(20 × 20 × 40 cm3)。将空气水作为水源,在<50% RH的干旱环境中,产水速率达12 L kg–1 day–1,且收集到的水质符合世界卫生组织规定的饮用水标准。.依托项目发表SCI论文7篇,含Nat. Commun.、Adv. Funct. Mater.等中科院一区论文3篇(其中1篇科学通报,中文一区论文),授权发明专利1项,培养的研究生获优秀毕业论文奖。.本研究从分子层面揭示了界面空间中水分子的独特行为规律,建立的“结构-性能”关系为未来设计节能、高效的空气水管理材料提供了关键理论支撑,在水资源收集与空气湿度调控等领域具有重要的应用前景。
锂/铁离子调控超吸湿凝胶对空气水的吸湿动力学机制研究
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2025
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负责人:杨林
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依托单位:
过渡金属配位结构调控超吸水凝胶对低湿度空气水的捕获行为及机制
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批准号:--
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:30万元
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批准年份:2022
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负责人:杨林
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依托单位:
高湿度环境中空气水的利用及其调控机制研究
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2021
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负责人:杨林
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依托单位:
国内基金
海外基金