轻如鸿毛的纳米材料从空气中提取饮用水

石墨烯网 • 2025年6月23日 15:11 • 科研进展 • 阅读 387

立即发布一项国际科学合作项目开发出一种新型纳米材料，可高效从空气中的水蒸气中提取洁净饮用水。

该纳米材料可吸收超过自身重量三倍的水分，且实现这一过程的速度远超现有商业技术，这些特性使其在直接从空气中生产饮用水方面具有巨大潜力。

该合作项目由澳大利亚研究理事会碳科学与创新卓越中心（ARC COE-CSI）新南威尔士大学副教授拉凯什·乔希（Rakesh Joshi）与诺贝尔奖得主科斯蒂亚·诺沃肖洛夫爵士（Sir Kostya Novoselov）共同领导。

乔希教授任职于新南威尔士大学材料科学与工程学院。诺沃肖洛夫教授任职于新加坡国立大学。

联合国报告估计，全球约22亿人缺乏安全管理的饮用水。

地球大气中悬浮着约1300万亿升水（悉尼港仅含500亿升）。尽管这仅占地球总水量的极小部分，但仍构成一个重要的淡水来源。

“我们的技术可在任何湿度充足但清洁饮用水供应有限的地区应用，”乔希博士表示。

诺沃肖洛夫教授指出：“这是跨学科、全球合作如何为解决世界最紧迫问题之一——清洁水获取问题——提供实用解决方案的绝佳范例。”

该研究成果发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

这种新型纳米材料基于已广泛研究的氧化石墨烯，即单原子厚度的碳晶格，其表面功能化有含氧基团。氧化石墨烯具有良好的吸水性能，即使水能够与材料表面结合的特性。

钙也具有良好的吸水性能。研究团队决定尝试将钙离子（Ca2+）插入氧化石墨烯中。

结果出人意料。

有效吸附水分的材料的重要特征是水与吸附表面之间形成强氢键，而氧化石墨烯和钙离子均具备这一特性。氢键越强，材料的吸水能力越强。

但当钙离子插层到石墨烯氧化物的氧原子时，会发生某种神奇的化学反应。

在钙插层的氧化石墨烯中，钙与氧的协同作用促进了水吸附的非凡效果。

研究团队发现，钙与氧化石墨烯中氧的配位方式改变了水与钙之间的氢键强度，使这些键变得更强。

“我们测量了氧化石墨烯本身吸附的水量，得到X。我们测量了吸附在钙本身上的水量，得到了Y。当我们测量吸附在钙插层石墨烯氧化物上的水量时，得到的数值远大于X+Y。这就像1+1等于一个大于2的数值，”新南威尔士大学材料科学与工程学院的Xiaojun（Carlos）Ren教授（论文第一作者）说道。

“这种超出预期的氢键强度是该材料极强吸水能力的原因之一，”他说。

研究团队还对材料进行了另一项设计改进以增强其吸水能力——他们将钙掺杂石墨烯氧化物制成气凝胶，这是已知最轻的固体材料之一。

气凝胶布满了微米至纳米级孔隙，这赋予其巨大的比表面积，使该气凝胶吸水速度远超标准石墨烯氧化物。

气凝胶还赋予材料海绵般的特性，使脱附过程（即从膜中释放水分）更加容易。

“该系统所需的唯一能量是将系统加热至约50度以释放气凝胶中水分所需的少量能量，”论文的共同作者达里娅·安德烈娃教授表示。

该研究基于实验与理论工作，这些工作依赖于位于堪培拉的澳大利亚国家计算基础设施（NCI）超级计算机。

新英格兰大学的阿米尔·卡顿教授领导了计算工作，为理解其基本机制提供了关键性认识。

“在超级计算机上进行的模拟实验揭示了分子水平上的复杂协同作用，这些洞见现在有助于设计更高效的大气水生成系统，为澳大利亚地区及全球缺水地区日益严峻的淡水供应挑战提供可持续解决方案，”卡顿教授表示。

这仍是一项需要进一步发展的基础研究发现。行业合作伙伴参与了该项目，以帮助扩大该技术规模并开发测试原型。

“我们所做的是揭示水分吸附过程背后的基本科学原理以及氢键的作用。这一知识将有助于为缺乏清洁饮用水的人群提供饮用水，其中包括全球22亿缺乏饮用水的人口，这充分展示了我们中心通过合作研究带来的社会影响，”COE-CSI主任兼论文共同作者戴林明教授表示。

该研究是澳大利亚、中国、日本、新加坡和印度研究团队的全球合作成果。

轻如鸿毛的纳米材料从空气中提取饮用水