苏州大学现代丝绸国家工程实验室王晓沁教授团队：高效吸收和利用二氧化碳的双功能系统：局部变湿吸附织物和水凝胶固定化微藻


近日，苏州大学王晓沁教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Innovative dual-function system for efficient CO2 absorption and utilization: Local humidity swing fabric and microalgae-embedded hydrogel”。研究者以空气CO2直接吸附利用为研究目标，采用丝素蛋白涂层技术将IER树脂颗粒固定在具有不同亲疏水性的织物上，并揭示亲疏水织物吸附材料湿度“开-关”调节机制对常温常压下CO2吸附/脱附的影响。在此基础上，构建了开放式开放式化学吸附/微藻生物利用复合体系，通过微藻光合作用直接利用织物中解吸的CO2，为从空气中直接捕集CO2开辟新的方向。



图1局部变湿吸附CO2和微藻生物利用双功能体系

 

季胺基聚合物材料由于具有强碱性和亲水性而表现出优异的CO2结合能力，且通过调节环境水汽分压力可以控制界面对CO2化学吸附能力，达到吸附／脱附的目的，即变湿吸附（Humidity swing adsorption, HSA）：当吸附剂界面处于干燥环境时，界面的碱性基团吸附CO2；当吸附剂界面处于较高湿度或水合度较高时，CO2则会释放出来；湿润的吸附剂通过干燥再生重新获得CO2吸附能力。如图1所示，采用丝素蛋白涂层技术将离子交换树脂（IER）颗粒固定在具有不同亲水性的织物上，该涂层液由丝蛋白和甘油组成，甘油诱导丝素蛋白β-折叠结构的形成，使材料在干燥后形成不溶于水的纳米涂层结构；此外，甘油还可作为增塑剂，增强丝素薄膜的柔韧性。在这种特定的应用中，甘油也起到促进织物内的水分子运动作用，从而有助于CO2的吸附和解吸。


图2 季胺基树脂涂层织物的制备流程

 

    研究者自行搭建了控湿控温、实时监测环境CO2含量的封闭测试体系，开展树脂涂层织物吸脱附CO2的研究。相较于亲水棉涂层织物，疏水性涤纶涂层织物表现出优异的CO2吸附能力，在环境湿度为10%时， 2%SF涤纶涂层织物的吸附容量达11.07mL/g，即使在90%（RH）的高湿态环境下，吸附容量仍为饱和吸附容量的70%。


图3 季胺基树脂涂层织物的吸附CO2性能

 

以往的研究通过改变环境干湿度或干湿气流的切换来实现材料的再生吸附，然而在此研究中，研究者在不改变环境湿度的情况下，通过在涤纶织物表面覆盖超吸水织物层并通过吸水层的上下抬升使负载的IER颗粒暴露在织物内不同的水蒸气分压下，从而达到调节CO2吸附/解吸的效果，即局部变湿吸附效应（local humidity swing, LHS)。其中超吸水织物的升降起到干湿调节“开-关”的作用，在高湿度环境中，当超吸水织物与疏水层分离时，水滴不会在疏水界面扩散，疏水界面可以阻挡水蒸气向织物的传递，因此负载在织物中的 IER 保持干燥，此时 IER 颗粒吸附环境中的 CO2，使密闭环境中CO2浓度降低；当超吸水织物与疏水涂层织物表面结合时，超吸水织物与的远距离毛细作用力可以帮助水滴克服疏水侧产生的疏水力，使下部潮湿环境的水蒸气向上移动扩散到涤纶织物中，促进负载的 IER 水化及吸附的CO2解离，从而使密闭环境中CO2浓度升高。


图4 具有湿度开关调节机制的CO2吸附/脱附体系

 

微藻作为地球上最大的太阳光同化者，其40%的光合作用来自微藻，固碳效率是其他植物的10-50倍。以微藻为代表的生物固碳很早便引起研究者兴趣，但迄今尚未成为固碳领域的主流，主要在于微藻的大体积悬浮培养方式所涉及的能源、人力物力消耗及光照、物质传输和气体交换效率等问题。采用凝胶包埋等固定化技术可以将高密度微藻细胞固定在有限的空间内减缓其生长，对微藻的光合作用活性影响则较小，被证明可以有效地解决以上这些问题。研究者采用丝素蛋白/海藻酸钠复合材料进行微藻的固定化，并将上述局部变湿吸附体系与微藻固定化凝胶体系相结合，构建化学吸附/生物利用双功能复合体系。

    结果表明，基于LHS的IER改性织物系统可以直接捕获大气中的CO2，并将其传输到附着的丝素蛋白/海藻酸盐水凝胶中。在水凝胶中，捕获的CO2被包埋的微藻所利用，导致细胞快速生长以及氧气的持续产生和释放。


图5 开放式化学吸附/微藻生物利用双功能体系

 

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147108

人物简介：王晓沁教授

苏州大学现代丝绸国家工程实验室特聘教授，苏州丝美特生物技术有限公司首席科学家，博士生导师。苏州工业园区纳米领军人才、姑苏领军人才。在Biomaterials、Journal of Controlled release等SCI期刊发表代表性论文80余篇，同时担任多个学术期刊和国际会议审稿人，申请并获得中国发明专利近20项，国际专利3项。