《Nano Letters》麻省理工学院张乐楠、伊夫琳·王:吸湿性水凝胶中的吸附动力学!

2022-01-24 22:55:22 高分子材料科学
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吸湿性水凝胶对高性能大气集水、被动冷却和热管理具有重要意义。然而,对吸湿性水凝胶的吸附动力学的机械理解仍然难以捉摸,阻碍了优化设计和广泛采用。最近,科研人员 开发了一个广义的双浓度模型 (TCM) 来描述吸湿性水凝胶的吸附动力学,其中水凝胶微孔中的蒸汽传输和聚合物纳米孔中的液体传输通过界面处的吸附耦合。 团队表明 ,由于水凝胶中的化学势梯度引起的液体传输在快速动力学中起着重要作用。高吸水率归因于液体运输过程中水凝胶的膨胀。此外, 团队 确定了控制动力学的关键设计参数,包括初始孔隙率、水凝胶厚度和剪切模量。这项工作提供了 一个通用的吸附动力学框架,弥合了吸湿性水凝胶的基本传输和实际设计之间的知识鸿沟。

图 1. 吸湿性水凝胶的吸附。

图 2. 水凝胶吸水率,定义为从环境空气中捕获的水质量除以初始水凝胶质量,是不同空气相对湿度下时间的函数。

图 3. 液体传输对水凝胶吸附动力学的影响。

图 4. 不同水凝胶特性对吸水动力学的影响。

图 5. 盐含量对水凝胶吸附动力学和吸水的影响。

总之,该团队开发了吸湿性水凝胶吸附动力学的广义模型。引入了两个控制方程来描述吸附过程中的耦合蒸汽和液体传输。使用实验数据验证了该方法。 除了通过微孔的蒸汽传输外,团队还证明了液体通过聚合物网络的纳米孔传输的重要作用,它在高水浓度区域主导了整体吸附动力学。 此外,团队发现体积膨胀导致高吸水率,接近纯盐的热力学极限。此外,由于蒸汽和液体传输的相互作用,团队确定了优化吸附动力学的关键设计参数。团队表明,具有更高剪切模量和精心选择的初始孔隙率的较薄水凝胶层对于更快的动力学是可取的。这项工作阐明了吸湿性水凝胶中吸附动力学的基本物理特性。该理论为理解水凝胶中的基本传输提供了一个通用框架,并指导了各种基于吸附的应用的设计。

相关论文以题为 Kinetics of Sorption in Hygroscopic Hydrogels 发表在 《 Nano Letters 》 上。 通讯作者是麻省理工学院 张乐楠博士 ( Lenan Zhang 音译 ) 、 伊夫琳·王教授 ( Evelyn N. Wang) 。

参考文献:

doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04216

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