太陽光による大気中の水の急速な採取のための階層的細孔構造を持つ 3D プリントされたセルロースナノファイバーエアロゲル足場

出典: Go Cellulose

人口増加、水質汚染、気候変動などのさまざまな要因により、淡水不足は最も深刻な世界的危機の一つとなっています。近年、太陽エネルギーを利用した吸着型大気水採取（AWH）が、水不足を緩和する効果的な戦略として浮上しています。 AWH 技術の動作原理は水の吸着と脱着に基づいているため、このような AWH デバイスの性能は主に吸着剤によって決まります。吸湿性塩は成熟した工業製品であり、特に塩化リチウム（LiCl）は乾燥剤としてよく使用され、水和反応によって空気中の水蒸気を捕捉する優れた能力を持っています。しかし、LiCl は依然として凝集と漏れの問題を抱えており、その結果、吸水性が低下し、サイクル安定性が低下します。

記事の概要 ブリティッシュコロンビア大学の江鋒教授らは、セルロースナノフィブリル（CNF）、LiCl、カーボンナノチューブ（CNT）を二重層構造に統合した3Dプリントの足場を開発した。 3D プリントと凍結乾燥によって作製されたマルチスケールの多孔質底層は、吸湿性 LiCl の助けを借りて空気中の水蒸気を捕捉することができます。最上部の CNF/CNT 層は吸収した太陽エネルギーを熱に変換し、吸収した水を蒸発させます。作製された二重層スキャフォールドは高い吸水性と蒸発率を示し、そのサイクル安定性が大幅に向上しました。

1. CNF および CNF/LiCl スキャフォールドの基本特性 TEMPO 酸化 CNF の印刷可能性は、そのレオロジー特性を研究することによって調査されました。濃度 2.0、2.5、3.0 wt% の CNF インクはすべて、高い粘度と固体のような挙動を示しました。レオロジー試験では、すべての CNF インクが剪断減粘性を示すことが示され、インクの印刷性が良好で、細いノズルからフィラメントとして押し出せることが示されました。さらに、低せん断応力では、貯蔵弾性率が損失弾性率よりも高くなり、固体のような挙動を示します。

得られた足場の構造は走査型電子顕微鏡を使用して特徴付けられました。断面では、印刷されたグリッド構造が垂直方向に高度に整列していることが観察されます (図 1h)。さらに、スキャフォールドの長手方向全体にわたって、LiClを含むマイクロメートルサイズの細孔が多数発見されました（図1i）。 3D プリントによって形成されたグリッド構造と凍結乾燥によって導入されたマイクロメートル規模の構造、およびスキャフォールドの細孔内の LiCl の均一な分布は、準備されたスキャフォールドの AWH 性能に寄与すると期待されます。写真

図 1. CNF の形態、CNF インクのレオロジー特性、および調製された CNF/LiCl スキャフォールドの物理的特性と形態。
2. CNF/LiClスキャフォールドの吸水性能 CNF/LiCl-1.5（1.5 M LiCl溶液に30分間浸漬して得られたCNF/LiClスキャフォールド）の水分吸収は12時間以内に1.59 g g−1であり、同様のLiCl負荷量とサイズのCNF/LiClエアロゲルの水分吸収を上回りました。 CNF/LiCl-1.5 の吸水性が大幅に向上したのは、その構造によるものです。 CNF/LiCl エアロゲルにはマイクロメートルサイズの細孔しかありません (図 S12、補足情報)。このような無秩序なマイクロメートルサイズの細孔の曲がり具合が高いと、水蒸気とエアロゲルの間の活性領域が減少し、結果として吸水率が低下します。対照的に、CNF/LiCl-1.5 は mm/μm の細孔の組み合わせを持ち、mm スケールのグリッド構造により周囲の空気とのより大きな活性領域が形成され、吸水能力が向上します。写真

図2 CNF/LiClスキャフォールドの吸水性能の特性評価
3. CNF/LiCl-CNF/CNT二層スキャフォールドの水分放出性能 太陽光下での CNF/LiCl スキャフォールドの水分蒸発を実現するために、光熱変換用の太陽光吸収剤として CNF/CNT の層を CNF/LiCl-1.5 の表面にコーティングしました。二重層エアロゲル（対照サンプル）の表面温度は3分以内に急速に上昇し、120分後には62.5℃に達しました。これは二重層スキャフォールド1.5の表面温度（55.2℃、図3f）よりも高い表面温度でした。しかし、二重層エアロゲルの質量変化と蒸発率は、二重層スキャフォールド-1.5よりもはるかに低かった（図3g、h）。二重層スキャフォールド 1.5 の水分放出性能の向上は、ミリメートル規模のグリッド構造によって提供される蒸発インターフェースによって説明できます。二重層スキャフォールドが太陽光にさらされると、太陽光はCNF/CNT最上層だけでなく垂直グリッド構造の壁にも吸収され、そのため、二重層スキャフォールド1.5の上面と内部グリッド構造から水が蒸発する可能性がある（図S24a、補足情報）。対照的に、二重層エアロゲルに吸収された水は、高密度のCNF / CNT最上層からのみ逃げることができ（図S24b、補足情報）、蒸発効率は低くなります。したがって、ミリメートル規模のグリッド構造は、二重層スキャフォールド 1.5 の水分蒸発性能の向上に大きく貢献します。写真

図3 二層スキャフォールドの水分放出性能の特性
4. AWH実性能テスト 吸水前後の二層スキャフォールド-1.5の総重量はそれぞれ3.66gと8.36gであり（表S6）、計算された吸水量は4.70gで、吸水速度は1.28g g−1に相当し、図3cに示したデータと匹敵します。その後、容器を密閉し、午前10時から午後5時まで屋外で太陽光の下で放水実験を行った。最初は吸収された水が急速に蒸発し、透明なプラスチックカバーが曇ってしまいました (図 4b)。水が蒸発し続けると、水の霧が容器の内壁に凝縮します (図 4b の挿入図)。最終的に2.88 gの液体水が放出され、2.32 gの液体水が収集されました（図4c）。これは、蒸発効率61.3％と水収集率49.4％にそれぞれ相当します。収集された2.32 gの水は、1日あたり0.63 g g−1の水生産量を表しています。写真

図4 AWH実アプリケーションテスト

結論本論文では、3D プリントと凍結乾燥、LiCl 含浸を組み合わせることで、太陽光駆動型 AWH 用に階層的細孔構造を持つ 3D プリント CNF スキャフォールドを開発しました。マイクロメートル規模の細孔が LiCl を効果的に閉じ込める一方、垂直のミリメートル規模のグリッド構造により、周囲の空気にさらされるアクティブ領域が拡大し、3D プリント構造の吸水率と蒸発率が大幅に向上します。ミリメートル/マイクロメートルのマルチスケールの細孔のおかげで、3D プリントされたスキャフォールドは、従来の凍結乾燥エアロゲルに比べて 1.6 倍の吸水率と 2.4 倍の放水率を示しました。屋外の太陽光の下では、3D プリントされた足場からの水分生成量は 0.63 g g−1 day−1 でした。

イノベーション 3D プリントと凍結乾燥と LiCl 含浸を組み合わせることで、多層の細孔構造を持つ 3D プリント CNF スキャフォールドが開発され、AWH への応用が検討されました。

インスピレーション
3Dプリント多孔質足場の機能:
1) ミクロンスケールの細孔が LiCl 粒子をスキャフォールド内に閉じ込め、漏れや凝集を最小限に抑えます。
2) 垂直ミリメートルスケールのグリッド構造により、水分を吸収する活性領域が増え、足場の水分吸収率が向上します。
3) ミリメートルサイズの孔により、水の拡散経路も短くなり、足場と空気の間での急速な水の移動が可能になります。異なるサイズの気孔はそれぞれ異なる役割を果たし、その相乗効果により材料の目的性能が向上します。

記事ソース
https://doi.org/10.1002/adma.202306653

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