Atmospheric water harvesting using nanomaterials

Abstract

To explore potential mechanisms for capturing water vapor and enable future Atmospheric Water Harvesting (AWH) devices to obtain fresh water, two approaches were proposed. The first approach, theoretical, involved molecular dynamics simulations of carbon nanocones (CNCs) functionalized to assess their performance in capturing water molecules. The second approach, experimental, utilized porous alumina membranes with various treatments to investigate how different wettabilities and relative humidities influence the adsorption and transport properties of water films condensed within the pores. In nature, certain organisms capture water from vapor by employing a combination of hydrophobic and hydrophilic properties. CNCs are naturally hydrophobic, but functionalization can introduce hydrophilic regions. While chemical properties are crucial, the physical shape also plays a significant role. The conical shape was selected because it presents a lower energy barrier for molecules entering the pore compared to cylindrical shapes. The theoretical part of this work focuses on evaluating the performance of CNCs in water capture under two conditions: one where the pore is exposed to water vapor and the other to liquid water. In the case of vapor, the hydrophilic regions condense the water and direct it in a linear flow, optimizing capture. We also identified an optimal level of attraction that maximizes capture efficiency. For liquid water, the primary mechanism driving molecules through the nanochannel was the chemical gradient, with hydrophilic rings further enhancing flow. When multiple nanocones were combined in the vapor scenario, we observed that high porosity led to competition between pores, diminishing the efficiency of individual pores. For the experimental study, a porous alumina membrane was utilized—a material widely employed in ceramic membranes due to its numerous advantages. Its hydrophilic nature facilitates macroscopic studies of water adsorption. The membrane was placed in a humidity-controlled chamber, and a potential difference was applied across the pores. The interaction of adsorbed water with the pore walls generated an ionic response, measured as an electrical signal. This response was recorded at varying levels of relative humidity and wettability, the latter achieved through various pre-treatments of the membrane. A correlation was found between the amount of water captured and the electrical response—when one increases, so does the other. Using the Polanyi isotherm and studying conductivity, we found evidence that the initial adsorbed monolayers may explain the low electrical responses at lower levels of adsorbed water. These investigations, exploring different aspects of the same problem, contribute to a deeper understanding of nanomaterials in advancing AWH technologies. This work addresses the global challenges of water scarcity and the fight against climate change.

Para explorar potenciais mecanismos de captura de vapor de água e possibilitar o desenvolvimento de futuros dispositivos de captação de água atmosférica (AWH), foram propostas duas abordagens. A primeira, teórica, envolveu simulações de dinâmica molecular de nanocones de carbono (CNCs) funcionalizados, a fim de avaliar seu desempenho na captura de moléculas de água. A segunda abordagem, experimental, utilizou membranas porosas de alumina com diversos tratamentos, com o objetivo de investigar como diferentes molhabilidades e umidades relativas influenciam as propriedades de adsorção e transporte de filmes de água condensados dentro dos poros. Na natureza, certos organismos capturam água do vapor empregando uma combinação de propriedades hidrofóbicas e hidrofílicas. Os CNCs são naturalmente hidrofóbicos, mas a funcionalização pode introduzir regiões hidrofílicas. Embora as propriedades químicas sejam cruciais, a forma física também desempenha um papel significativo. A forma cônica foi escolhida porque apresenta uma barreira de energia mais baixa para as moléculas que entram no poro em comparação com as formas cilíndricas. A parte teórica deste trabalho foca na avaliação do desempenho dos CNCs na captura de água em duas condições: uma em que o poro é exposto ao vapor de água e a outra em contato com água líquida. No caso do vapor, as regiões hidrofílicas condensam e direcionam a água em um fluxo linear, otimizando a captura. Também identificamos um nível de atração ideal que maximiza a eficiência de captura. No caso da água líquida, o principal mecanismo que impulsiona as moléculas através do nano-canal é o gradiente químico, mesmo assim os anéis hidrofílicos intensificam ainda mais o fluxo. Quando vários nanocones foram combinados no cenário de vapor, observamos que porosidades altas levam a uma competição entre os poros, reduzindo a eficiência individual de captura. Para o estudo experimental, foi utilizada uma membrana porosa de alumina — um material amplamente empregado em membranas cerâmicas devido às suas inúmeras vantagens. Sua natureza hidrofílica facilita estudos macroscópicos de adsorção de água. A membrana foi colocada em uma câmara com controle de umidade, e uma diferença de potencial foi aplicada através dos poros. A interação da água adsorvida com as paredes dos poros gerou uma resposta iônica, medida como um sinal elétrico. Essa resposta foi registrada em diferentes níveis de umidade relativa e molhabilidade, sendo que a última foi ajustada através de diversos pré-tratamentos da membrana. Encontrou-se uma correlação clara entre a quantidade de água capturada e a resposta elétrica — à medida que uma aumentava, a outra também aumentava. Utilizando a isoterma de Polanyi e estudando a condutividade, encontramos indícios de que as primeiras monocamadas adsorvidas podem explicar as respostas elétricas baixas em níveis menores de água adsorvida. Essas investigações, que exploram diferentes aspectos do mesmo problema, contribuem para um entendimento mais profundo dos nanomateriais no avanço das tecnologias de AWH. Este trabalho aborda os desafios globais da escassez de água e da luta contra as mudanças climáticas.

Pour explorer les mécanismes potentiels de capture de la vapeur d’eau et permettre le développement futur de dispositifs de génération d’eau atmosphérique (AWH), deux approches ont été proposées. La première approche, théorique, a impliqué des simulations de dynamique moléculaire de nanocones de carbone (CNCs) fonctionnalisés pour évaluer leur performance dans la capture de molécules d’eau. La deuxième approche, expérimentale, a utilisé des membranes d’alumine poreuse avec divers traitements pour enquêter sur la façon dont différentes mouillabilités et humidités relatives influencent les propriétés d’adsorption et de transport des films d’eau condensés à l’intérieur des pores. Dans la nature, certains organismes capturent l’eau de la vapeur en utilisant une combinaison de propriétés hydrophobes et hydrophiles. Les CNCs sont naturellement hydrophobes, mais la fonctionnalisation peut introduire des régions hydrophiles. Bien que les propriétés chimiques soient cruciales, la forme physique joue également un rôle significatif. La forme conique a été sélectionnée car elle présente une barrière énergétique plus faible pour les molécules entrant dans le pore par rapport aux formes cylindriques. La partie théorique de ce travail se concentre sur l’évaluation de la performance des CNCs dans la capture d’eau dans deux conditions : une où le pore est exposé à la vapeur d’eau et l’autre à l’eau liquide. Dans le cas de la vapeur, les régions hydrophiles condensent l’eau et la dirigent dans un flux linéaire, optimisant ainsi la capture. Nous avons également identifié un niveau d’attraction optimal qui maximise l’efficacité de capture. Pour l’eau liquide, le principal mécanisme entraînant les molécules à travers le nano canal était le gradient chimique, les anneaux hydrophiles renforçant encore le flux. Lorsque plusieurs nanocones étaient combinés dans le scénario de vapeur, nous avons observé qu’une porosité élevée entraînait une concurrence entre les pores, diminuant l’efficacité des pores individuels. Pour l’étude expérimentale, une membrane d’alumine poreuse a été utilisée, un matériau largement employé dans les membranes céramiques en raison de ses nombreux avantages. Sa nature hydrophile facilite les études macroscopiques d’adsorption d’eau. La membrane a été placée dans une chambre contrôlée en humidité, et une différence de potentiel a été appliquée à travers les pores. L’interaction de l’eau adsorbée avec les parois des pores a généré une réponse ionique, mesurée comme un signal électrique. Cette réponse a été enregistrée à différents niveaux d’humidité relative et de mouillabilité, cette dernière étant atteinte grâce à divers prétraitements de la membrane. Une corrélation a été trouvée entre la quantité d’eau capturée et la réponse électrique : lorsque l’un augmente, l’autre augmente également. En utilisant l’isotherme de Polanyi et en étudiant la conductivité, nous avons trouvé des preuves que les premières monocouches adsorbées peuvent expliquer les faibles réponses électriques à des niveaux d’eau adsorbée plus bas. Ces investigations, explorant différents aspects du même problème, contribuent à une compré- hension plus profonde des nanomatériaux dans l’avancement des technologies AWH. Ce travail aborde les défis mondiaux de la rareté de l’eau et de la lutte contre le changement climatique.