Licht-als-een-veren nanomateriaal extracten drinkwater uit de lucht

Een internationale wetenschappelijke samenwerking heeft een nieuw nanomateriaal ontwikkeld tot efficiënt oogst schoon drinkwater uit waterdamp in de lucht. Het nanomateriaal kan meer dan drie keer zijn gewicht in water bevatten en kan zo veel sneller bereiken dan bestaande commerciële technologieën, functies die het potentieel in directe toepassingen mogelijk maken voor het produceren van drinkwater uit de lucht.

De samenwerking wordt geleid door de Australian Research Council Center of Excellence for Carbon Science and Innovation (Arc CoE-CSI) UNSW universitair hoofddocent Rakesh Joshi en Nobelprijswinnaar professor Sir Kostya Novoselov. Prof Joshi is gevestigd aan de School of Materials Science and Engineering, University of New South Wales (UNSW). Prof Novoselov is gevestigd aan de National University of Singapore.

A Verenigde Naties rapporteren schat dat 2,2 miljard mensen niet veilig beheerst drinkwater missen.

Op aarde zijn er ongeveer 13 miljoen gigaliters water in de atmosfeer gesuspendeerd (Sydney Harbor heeft 500 gigaliters). Hoewel dat slechts een fractie is van het totale water op aarde, komt het nog steeds neer op een substantiële bron van zoet water.

“Onze technologie zal een toepassing hebben in elke regio waar we voldoende vocht hebben, maar beperkte toegang tot of beschikbaarheid van schoon drinkwater,” zegt Dr. Joshi.

Prof Novoselov zegt: “Dit is een uitstekend voorbeeld van hoe interdisciplinair, wereldwijde samenwerking kan leiden tot praktische oplossingen voor een van ’s werelds meest dringende problemen – access om water schoon te maken.”

Het onderzoek is gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences.

Magie vinden in de binding

Het nieuwe nanomateriaal is gebaseerd op de goed bestudeerde vorm van het grafeenoxide, dat een koolstofrooster met één atoom is gefunctionaliseerd met zuurstofhoudende groepen. Grafeenoxide heeft goede wateradsorptie -eigenschappen, die eigenschappen zijn die water kunnen binden aan het oppervlak van een materiaal.

Calcium heeft ook goede wateradsorptie -eigenschappen. Het onderzoeksteam besloot te zien wat er is gebeurd als u calciumionen intercaleert (CA²⁺) in het grafeenoxide.

Wat er gebeurde was onverwacht.

Een belangrijk kenmerk van materialen die effectief water adsorberen, is sterke waterstofbruggen tussen het water en het materiaal waarop het adsorbeert, iets dat grafeenoxide en calcium elk hebben. Hoe sterker de waterstofbinding, hoe meer een materiaal water kan adsorberen.

Maar wat magie gebeurt wanneer u calcium intercaleert met de zuurstof in het grafeenoxide.

In calcium-geïntercaleerd grafeenoxide is het de synergie tussen calcium en zuurstof die de buitengewone adsorptie van water vergemakkelijkt.

Wat het onderzoeksteam ontdekte, is dat de manier waarop het calciumcoördineert met de zuurstof in het grafeen de sterkte van de waterstofbruggen tussen het water en het calcium verandert om die bindingen nog sterker te maken.

“We hebben de hoeveelheid water geadsorbeerd op grafeenoxide op zichzelf gemeten en we hebben X gemeten. We hebben de hoeveelheid water geadsorbeerd op calcium zelf gemeten en kregen we Y. Wanneer we de hoeveelheid water geadsorbeerd op de calcium-geïntercaleerde grafeen-oxide hebben gemeten, hebben we veel meer dan x+y. Of het is 1+1 gelijk aan een nummer van 2 jaar, Auteur op de krant.

“Deze sterkere dan verwachte waterstofbinding is een van de redenen voor het extreme vermogen van het materiaal om water te adsorberen”, zegt hij.

Het is ook licht als een veer

Er was nog een ontwerp-tweak dat het team deed om het wateradsorberende vermogen van het materiaal te verbeteren-ze maakten het calcium-geïntercaleerde grafeenoxide in de vorm van een airgel, een van de lichtste vaste materialen die bekend zijn.

Aerogels worden bezaaid met poriën met micro-tot nanometer, waardoor ze een massief oppervlak hebben, waardoor deze airgel helpt om veel sneller te adsorberen water dan het standaard grafeenoxide.

De airgel geeft ook de materiaalsponsachtige eigenschappen die het desorptieproces maken of het water uit het membraan gemakkelijker maken.

“De enige energie die dit systeem vereist, is de kleine hoeveelheid die nodig is om het systeem te verwarmen tot ongeveer 50 graden om het water uit de airgel af te geven”, zegt professor Daria Andreeva, de co-auteur van het papier.

De kracht van de supercomputer

Het onderzoek is gebaseerd op experimenteel en theoretisch werk dat afhankelijk was van de Supercomputer van de Australian National Computational Infrastructure (NCI) in Canberra.

Professor Amir Karton van de Universiteit van New England leidde het computationele werkzaamheden om het cruciale begrip van het onderliggende mechanisme te bieden.

“De gemodelleerde simulaties die op de supercomputer zijn uitgevoerd, legden de complexe synergetische interacties op moleculair niveau uit, en deze inzichten helpen nu om nog betere systemen te ontwerpen voor atmosferische watergeneratie, en bieden een duurzame oplossing voor de groeiende uitdaging van de beschikbaarheid van zoet water in regionaal Australië en in water-gestresste regio’s over de hele wereld,” zegt Professor Karton.

De kracht van wetenschap zonder grenzen

Dit is nog steeds een fundamentele onderzoeksontdekking die verdere ontwikkeling nodig heeft. De industrie heeft aan dit project samengewerkt om deze technologie op te schalen en een prototype te ontwikkelen voor testen.

“Wat we hebben gedaan, is de fundamentele wetenschap achter het vochtadsorptieproces en de rol van waterstofbinding ontdekken. Deze kennis zal helpen om schoon drinkwater te bieden aan een groot deel van die 2,2 miljard mensen die er geen toegang toe hebben, het aantonen van de maatschappelijke impact door collaboratief onderzoek van ons centrum,” zegt COE-CSI-directeur en een van de co-auteurs op de papieren, professor limend DAI.

Het onderzoek is een wereldwijde samenwerking tussen onderzoeksgroepen uit Australië, China, Japan, Singapore en India.