Extreme Water Uptake of Hygroscopic Hydrogels through Maximized Swelling‐Induced Salt Loading

自愈水凝胶 材料科学 肿胀 的 相对湿度 化学工程 水溶液 盐(化学) 水蒸气 吸附 泄漏(经济) 复合材料 高分子化学 化学 有机化学 吸附 经济 宏观经济学 工程类 物理 热力学
作者
Gustav Graeber,Carlos D. Díaz‐Marín,Leon C. Gaugler,Yang Zhong,Bachir El Fil,Xinyue Liu,Evelyn N. Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (12): e2211783-e2211783 被引量:151
标识
DOI:10.1002/adma.202211783
摘要

Hygroscopic hydrogels are emerging as scalable and low-cost sorbents for atmospheric water harvesting, dehumidification, passive cooling, and thermal energy storage. However, devices using these materials still exhibit insufficient performance, partly due to the limited water vapor uptake of the hydrogels. Here, the swelling dynamics of hydrogels in aqueous lithiumchloride solutions, the implications on hydrogel salt loading, and the resulting vapor uptake of the synthesized hydrogel-salt composites are characterized. By tuning the salt concentration of the swelling solutions and the cross-linking properties of the gels, hygroscopic hydrogels with extremely high salt loadings are synthesized, which enable unprecedented water uptakes of 1.79 and 3.86 gg-1 at relative humidity (RH) of 30% and 70%, respectively. At 30% RH, this exceeds previously reported water uptakes of metal-organic frameworks by over 100% and of hydrogels by 15%, bringing the uptake within 93% of the fundamental limit of hygroscopic salts while avoiding leakage problems common in salt solutions. By modeling the salt-vapor equilibria, the maximum leakage-free RH is elucidated as a function of hydrogel uptake and swelling ratio. These insights guide the design of hydrogels with exceptional hygroscopicity that enable sorption-based devices to tackle water scarcity and the global energy crisis.
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