近日，上海交通大學機械與動力工程學院ITEWA創(chuàng)新團隊在能源領(lǐng)域期刊Energy & Environmental Science上發(fā)表題為“All-in-one Hybrid Atmospheric Water Harvesting for All-day Water Production by Natural Sunlight and Radiative Cooling”的研究性論文，提出了基于自然陽光和輻射致冷耦合驅(qū)動的全天24小時空氣產(chǎn)水策略，構(gòu)建了基于輻射致冷和空氣冷卻的梯級冷凝空氣取水裝置，實現(xiàn)了低能耗下的高產(chǎn)水量，為解決淡水資源短缺問題提供了新的技術(shù)途徑。制冷與低溫工程研究所助理教授許嘉興為論文第一作者，李廷賢研究員為通訊作者，王如竹教授與華中科技大學楊榮貴教授為共同通訊作者。
耦合白天吸附式空氣取水和夜間直接冷凝式取水的全天混合式空氣取水策略
為了滿足干旱地區(qū)的用水需求，開發(fā)新的水源極為重要。大氣中蘊藏著豐富的水蒸氣，其含量約為全球每年消耗水量的3.4倍，基于水蒸氣吸附的大氣水收集技術(shù)（S-AWH）近年來受到廣泛關(guān)注，利用吸附材料和空氣取水設(shè)備可以從空氣中攫取水分，實現(xiàn)隨時隨地飲用水生產(chǎn)。然而，吸附式空氣取水技術(shù)面臨著高能耗和低產(chǎn)水量的瓶頸。為此，論文提出了一種耦合利用太陽能光熱和全天輻射致冷實現(xiàn)全天高效空氣取水新策略。為了構(gòu)建緊湊高效的空氣取水裝置，論文采用透射型輻射冷卻膜（TRC）允許太陽光透過輻射致冷膜，實現(xiàn)了同一占地面積下的頂部日間輻射致冷與底部光熱轉(zhuǎn)化集熱。白天運行時，陽光透過TRC膜加熱吸附材料驅(qū)動水蒸氣釋放，釋放的水蒸氣在TRC膜表面快速凝結(jié)集水。夜晚運行時，吸附材料從空氣中捕獲水蒸氣，同時周圍空氣中高濕度的水蒸氣在TRC膜上凝結(jié)，實現(xiàn)夜間輻射致冷驅(qū)動的直接產(chǎn)生水。
全天空氣取水裝置的戶外對比測試及性能參數(shù)對比
為提高空氣取水裝置的冷凝產(chǎn)水能力，論文提出了一種梯級冷凝提高取水速率的新方法，通過使用鋁散熱器和輻射致冷膜兩個冷凝器實現(xiàn)梯級降低冷凝溫度。光熱驅(qū)動釋放的水蒸氣首先被鋁制散熱器（第一級冷卻）冷卻降溫，然后進一步通過輻射致冷降溫（第二級冷卻），以實現(xiàn)水的快速高效凝結(jié)。為了驗證全天空氣取水技術(shù)在不同氣候下運行的可行性，作者在上海市和昆明市分別進行了戶外測試實驗。由于綜合利用了輻射致冷增強的吸附式空氣取水和夜間額外的直接冷凝式空氣取水，該裝置的戶外空氣取水能力顯著提高到3.6升每平方米，是目前太陽光驅(qū)動產(chǎn)水能力最高的空氣取水器之一。該工作克服了傳統(tǒng)吸附式空氣取水設(shè)備的能量利用效率低和冷凝溫度高的缺點，實現(xiàn)了節(jié)能高效的全天24小時空氣取水，為高效空氣取水器件的熱設(shè)計構(gòu)建提供了新思路。
該工作獲得國家自然科學基金青年基金項目、杰青項目、重大項目的資助，也得到了全國博士后創(chuàng)新人才計劃、博士后面上基金項目的資助。
王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA多學科交叉創(chuàng)新團隊（Innovative Team for Energy, Water & Air）致力于解決能源、水、空氣領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學科交叉實現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進展。近年來在Science、Nature Reviews Materials、Nature Energy等國際期刊上發(fā)表系列跨學科交叉論文。
論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3EE04363K
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