【研究背景】
在建筑和制造过程中每年有超过6亿吨二氧化碳的排放由其工艺中的湿度控制所产生。因此，高效的干燥剂可以通过优化除湿过程来极大地减少排放。我们报道一类新型的干燥剂材料，热响应型干燥剂 （thermo-responsive desiccants），来强化空调系统中除湿过程。这些材料通常基于热响应性聚合物，并且表现出温度依赖的等温线特性，这在传统干燥剂中较为罕见。在这项研究中，通过模型和实验数据的结合，我们确定了创造有效的热响应型聚合物干燥剂所需的七个关键参数。研究发现，更高的热响应性并不一定能够提高能源效率，而是需要一个优化的“中间”值。此外，聚合物的组成和结构在调整这七个关键参数中起着关键作用。最后，基于模型和实验结果，提供了合成未来热响应型聚合物干燥剂的指导方针。
【内容表述】
图1 a)非热响应型干燥剂和b)热响应型干燥剂的典型的吸湿等温线
1.热响应型干燥剂用于除湿的关键参数
有趣的是，我们使用的代表热响应性的变量Δumean具有适度的理想值。如果太低，干燥剂接近于非热响应型干燥剂，并且由于每克水分所需的干燥剂质量增加而产生了显热损失。如果Δumean太高，在实际条件下干燥剂的运行会产生另一种显热损失：在从再生到除湿状态的转换过程中，干燥剂中会剩余过多的水分。这种情况的出现是因为让整个干燥剂达到平衡在资本成本、时间限制和/或除湿负荷的基础上是不切实际的。
图2 四个关键等温线参数及其对除湿转轮模型计算得出的干燥剂的除湿效率（MRE）的影响的可视化表示。下标“i”代表位于除湿轮中气流垂直方向上的干燥剂薄圆片。图a)、c)、e)、g)定义了Δumean、Δustdev、uavgmin和临界溶解温度（LCST）设定点。图b)的模型结果表明，Δumean的理想值通常在0.1-1.0左右。在较低的Δumean下，干燥剂的热响应性较弱，因此需要额外的干燥剂才能达到一定的除湿水平，从而导致显热损失（第一类）。在较高的Δumean下，在除湿后，干燥剂中仍然残留额外的水分，也会导致显热损失（第二类）。图d)的模型结果表明，在所有相对湿度（RH）值下实现热响应性（而不仅仅是在特定的RH范围内）对MRE有益。图f)的模型结果表明，尽可能降低uavgmin是有益的，因为它负责第二类显热损失。所示结果中的过程气出口露点温度固定在10 – 11 °C，以模拟固定的设定点。图h)的模型中热响应性的边界应接近除湿轮中所经历的温度，以实现最高效率。Δustdev表示干燥剂在HVAC系统中遇到的所有湿度范围内应该具有热响应性。uminavg表示在所有情况下应该尽量减少再生过程（高温下）中的吸水量，以避免前面提到的第一个感热损失。临界溶解温度设定点表示热响应属性应该发生在与空调系统相关的温度范围内，否则，聚合物将表现得像非热响应型干燥剂。
图3 理想表现的的热响应型干燥剂和性能较差的热响应型干燥剂的关键参数的雷达图。这些参数可以通过差示扫描量热法、动态蒸汽吸附分析、技术经济分析和重量法等方法获得。
图4 本研究中所研究的主要聚合物体系的定性雷达图。
【结论】
对于未来的热响应型聚合物干燥剂研究，我们确定了以下几种有前景的结构：
1）全互穿网络（IPNs，interpenetrating networks）：我们将“IPN”定义为两种网络都进行交联的聚合物互穿网络（相对于半互穿网络，在半互穿网络中至少有一个聚合物网络未进行交联）。在我们的研究中，IPN能够将干燥剂的亲水性和热响应性组分解耦（与共聚反应相比，亲水性对临界溶解温度的影响较小）。全互穿网络对循环使用具有高度抵抗力，但是在本研究中所创建的聚合物结构被认为纠缠得过于紧密，无法实现临界溶解温度的效果。纠缠程度较低的聚合物可能使这种类型的结构变得更加有前景。
2）接枝共聚物（Graft copolymers）：在这项研究中，接枝共聚物表现出最具前景。这是因为它们具有独立的亲水性和热响应性区域，使临界溶解温度得以存在，并且还能实现更高的吸水量。然而，还有许多其他既具有亲水性又具有热响应性的接枝共聚物，可能具有独特的优势。
3）无机盐/聚合物复合材料：这种复合材料在大多数方面表现良好，是我们研究的唯一一种展现出液态水析出效果的材料。液态水析出不需要蒸发热来再生聚合物。该复合材料的唯一问题在于它的循环性能。研究发现，液态水析出后，无机盐会从聚合物中溶出。这一问题在其他研究中似乎得到了改进。然而，我们很难获得相同的结果，这表明必须采取一些特殊的合成方法来减少无机盐溶出现象。如果能够抑制无机盐的溶出效应，就可以创建出一个强大的热响应型干燥剂。
Meyer, P. W*., Cui, S.*, Zeng, Y., Aday, A., Woods, J.* (2023). Engineered Polymer Architectures for Thermo‐Responsive Desiccants in Dehumidification Applications. Advanced Energy Materials, 2300990.
Shuang Cui教授课题组招收全奖博士生和博士后
课题组简介：德州大学达拉斯分校 (University of Texas at Dallas) 机械工程系热能存储与转换实验室(Thermal Energy Storage and Conversion Lab) 诚邀具有化学工程，高分子，和热能工程相关背景的博士后、博士和访问学者加入我们。课题组目前的研究方向为柔性材料(水凝胶) (soft materials-hydrogels)，能量存储和转换 (energy storage and conversion) 以及增材制造 (additive manufacturing)。博士与博士后职位将由美国能源部(DOE)和国家自然科学基金(NSF)提供经费支持。
招收职位：全奖博士2名(2024春季或2024秋季入学)和博士后1名(全年有效)。请合适并感兴趣的申请者将以下材料发送至shuang.cui@utdallas.edu
1) CV (including GPA, TOEFL and GRE score if available, research experience, publication list, and contact information of two references)
2) transcripts
3) one-page research/personal statement
招收要求：
1.申请者须具有化学工程，材料工程, 热能工程或化学等相关领域的本科或硕士学位。
2.具有高分子聚合物，3D打印，相变材料，热能存储或纳米材料及器件的相关研究经历及背景。
3.申请者需满足研究生院申请条件，详情可参考以下网站。由于疫情原因，可以申请GRE免试。().
导师介绍：
Dr。 Shang Cui received her Ph。D。 in Mechanical Engineering at the University of California, San Diego。 She received M。S。 and B。S。 degrees in Thermal Engineering at Wuhan University, China。 She is currently an assistant professor in the Department of Mechanical Engineering at UTD a joint faculty in the Buildings and Thermal Sciences Center at National Renewable Energy Laboratory (NREL)。 She has been a selected participant of The Rising Stars Women in Engineering Workshop at Seoul National University (Korea) and highlighted by the Department of Energy’s (DOE) “Women @ Energy: STEM Rising”。
Dr。 Cui has published 23 high-impact journal papers, including Advanced Energy Materials, Energy Conversion and Management, Applied Energy, ACS Nano, and Journal of Materials Chemistry A, etc。 Dr。 Cui also filed five U。S。 patents。 She collaborates with scientists and engineers from diverse fields including mechanical, chemical, and civil engineers, material scientists, and chemists from national labs (NREL, LBNL, and ORNL), UC Berkeley, and industries。 Her research has been supported by multiple federal agencies, for example, Department of Energy, National Science Foundation, and Industries。
学校简介:
德克萨斯大学达拉斯分校（The University of Texas at Dallas，简称UTD），是位于美国德克萨斯州理查德森市（Richardson）的一所世界顶尖高等学府，世界顶尖研究型大学，美国一流公立大学，隶属于美国顶尖的德克萨斯大学系统。德克萨斯大学系统系统是美国高等教育体系的重要组成部分, 也是美国最受尊敬和欢迎的名校之一。系统内14所学校共收到捐款250亿美元（仅次于哈佛大学），以每年高达11亿美元的研究经费位列全美第一。德克萨斯大学系统已经培养出7位诺贝尔奖得主，33位国家科学院院士，44位国家工程院院士，22位医学院院士，22位法学院院士和39位文理学院院士，在世界范围内都享有极高的学术声誉。达拉斯分校是得克萨斯大学系统中奥斯汀分校外，又一所期望发展为美国前五十的学校。该校成立于1969年，是美国近年来发展最为迅速的大学之一。该校在2017年泰晤士高等教育（Times Higher Education）全美建校 50年内的学校里排名第一，世界提名第21。其管理学院（Naveen Jindal School of Management）和工程学院(Erick Jonsson School of Engineering & Computer Science)最富盛名。
德克萨斯大学达拉斯分校的Erik Jonsson工程学院前身是Texas Instrument(TI)的一个研究所，Jonsson工程学院收到TI的大力支持和资助，各个方面有着良好的合作。在美国新闻与世界报道（U.S.News）在2014年最新发布的工学院排名中，Jonsson工程学院位列全美工学院第32名，有着雄厚的实力。Jonsson工程学院的研究生教育在德克萨斯州的公立大学中位列第3名，在德克萨斯大学奥斯汀分校和德克萨斯A&M大学之后。学院设立了一个庞大的实习项目，每年约有600多名学生在高科技公司实习。2018年，工学院计算机科学位列全美第53名，全球第85名。
UTD地处美国德克萨斯州的DFW（Dallas-Fort Worth）都会区，离达拉斯市中心仅18英里。德克萨斯州现为仅次于加州的美国经济第二大州，DFW是美国近二十年兴起的都市圈，名列全美第四大都会（仅次于纽约，洛杉矶和芝加哥）。UTD紧邻75号高速公路这条通讯科技走廊，有着多家通讯和高科技公司，如德州仪器（TI），AT&T，三星，思科，MetroPCS，阿尔卡特，华为（约有600多人）、中兴（约有200多人）等鼎鼎大名的电信厂商，这为Jonsson工程学院的发展提供了便利条件。每年有大量的优秀学生和毕业生在众多的科技公司中找到实习或者工作。学院投入了大量资金在自然科学和工程研究实验室的建设和对新教师的雇佣上，其中不乏来自麻省理工学院，斯坦福大学，康奈尔大学的优秀教师。同时学院正在大力建设生物医学工程，机械工程，材料科学，模拟电子技术，电力电子技术，网络安全和控制系统。2013年，Jonsson工程学院的科研经费超过了6000万美元，包括了对碳纳米管，微机电系统等尖端技术，半导体设计和制造，无线网络，人工耳蜗植入技术，医疗成像，语音识别，网络安全，有机电子，材料特性，下一代的风能转换系统，物理，化学和生物传感器的研究。德州已经成为全美拥有世界500强总部数量最多的州。
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