將空氣中的水蒸氣（水汽）轉(zhuǎn)化為純凈液態(tài)水或電能等技術(shù)，在環(huán)境、能源、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域顯示了巨大應(yīng)用潛力，引起了廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的水汽響應(yīng)型智能材料種類有限，其較差的結(jié)構(gòu)有序性影響其能量轉(zhuǎn)化效率以及響應(yīng)/驅(qū)動機制研究。因此，開發(fā)具有明晰有序結(jié)構(gòu)的新型水汽響應(yīng)型智能材料具有重要意義。
日前，南開大學化學學院張振杰課題組開發(fā)了一種柔性多孔框架材料（ZPF-2-Co），其在較低濕度下可進行水汽的快速吸脫附，可用于干燥環(huán)境中的水收集，其性能僅低于目前的最好材料（圖1）。此外，該材料在吸脫附水蒸氣的過程中，伴隨著晶體體積的可逆膨脹與收縮，將其與高分子共混復合制備的柔性自支撐膜，在濕度梯度改變時可進行可逆的彎曲機械響應(yīng)，最終可實現(xiàn)空氣發(fā)電（圖2）。相關(guān)工作 “Fabrication of Moisture-Responsive Crystalline Smart Materials for Water Harvesting and Electricity Transduction”發(fā)表在《JACS》。
圖1 ZPF-2-Co的水蒸氣吸附性能研究
圖2 基于水汽響應(yīng)型框架材料構(gòu)建能量轉(zhuǎn)化新途徑（化學勢能→機械能→電能）
晶態(tài)材料多以粉末微晶狀態(tài)存在，晶體的脆性以及較差的力學性能使其無法將足夠的能量轉(zhuǎn)化為有用功，難以實現(xiàn)宏觀智能體系的加工制備，制約了其在智能驅(qū)動領(lǐng)域的應(yīng)用。針對上述挑戰(zhàn)，基于仿生原理，作者利用前期提出的“晶態(tài)人工肌肉”新概念，引入高分子與晶態(tài)元件進行組裝以結(jié)合二者優(yōu)良特性。將ZPF-2-Co與PVA等親水性高分子進行共混復合，構(gòu)筑了一種柔性的、自支撐的智能驅(qū)動膜。通過調(diào)控晶體尺寸（納米?微米）可實現(xiàn)晶體在高分子基質(zhì)中的梯度有序分布，從而有效提升體系的驅(qū)動性能。復合膜表現(xiàn)出隨濕度變化的可逆的彎曲運動行為。作者進一步將其與壓電材料（PVDF）復合，可實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)化（圖3）。該能量轉(zhuǎn)化器執(zhí)行10個循環(huán)而不會出現(xiàn)明顯的能量衰減。
圖3 ZPF-2-Co構(gòu)筑的能量轉(zhuǎn)化器運行示意和產(chǎn)電性能
本論文的第一作者為南開大學化學學院博士生楊銘方，通訊作者是南開大學化學學院張振杰研究員。該工作得到了國家自然科學基金和111工程的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.1c01831
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