近日，上海交通大學(xué)王如竹教授領(lǐng)銜的“能源-水-空氣”交叉學(xué)科創(chuàng)新團隊ITEWA在國際期刊ACS Energy Letters上發(fā)表了題為“Harvesting Thermal Energy and Freshwater from Air through Sorption Thermal Battery Enabled by Polyzwitterionic Gel”的研究論文。該團隊通過結(jié)合親水性聚合物和兩性離子聚合物，開發(fā)了具有高穩(wěn)定性和可控的鹽溶液保留能力的新型吸濕凝膠，并利用該凝膠開發(fā)了取水和儲熱功能集成器件，驗證了從空氣中高效取熱與取水的潛力。制冷與低溫工程研究所博士研究生山訸為論文第一作者，王如竹教授為通訊作者。
論文聚焦于解決能源和水資源的全球性短缺問題。從能源利用角度，儲存可再生能源和非高峰電力可以提高能源利用效率，并緩解可持續(xù)能源供需之間的不匹配問題。從水資源短缺問題角度，大氣中蘊含的水蒸氣是非傳統(tǒng)水資源中具有重要潛力的部分，捕捉這部分水資源有望實現(xiàn)隨時隨地的淡水生產(chǎn)。空氣中水蒸氣的吸附-解吸循環(huán)可以實現(xiàn)兩者結(jié)合，利用吸附過程實現(xiàn)對大氣水分的存儲與吸附熱的釋放，而解吸過程則實現(xiàn)水分的釋放與能量的儲存(吸附勢能)，進而構(gòu)建出從空氣中獲取淡水與儲存吸附勢熱能的有效途徑。
研究的關(guān)鍵技術(shù)突破在于吸附材料的開發(fā)。研究團隊對氯化鋰摻雜的聚兩性離子-親水凝膠進行了熱力學(xué)行為分析，指導(dǎo)了聚合物凝膠的設(shè)計和調(diào)控，提出了具有高容量和穩(wěn)定的溶液保留能力的吸濕凝膠。這種吸濕凝膠在20%至85%的相對濕度范圍內(nèi)表現(xiàn)出1.07 g/g至5.82 g/g的顯著吸附量，并在80% 相對濕度下表現(xiàn)出9948 kJ/kg的吸附儲熱能量密度。同時，通過利用這種凝膠材料，構(gòu)建了儲熱、放熱、取水三種循環(huán)路徑的集成方法，實現(xiàn)了7779.6 kJ/kg的能量密度、1.7 kW/kg的峰值功率密度和0.97 kg/kg的水生產(chǎn)率，有效地實現(xiàn)了熱能的收集存儲和水的聯(lián)產(chǎn)。
研究展示了通過水蒸氣的吸附和解吸，同時實現(xiàn)熱能存儲和水資源獲取的可能性。未來的研究方向可以專注于系統(tǒng)組件的設(shè)計優(yōu)化，旨在實現(xiàn)更靈活、穩(wěn)定的熱能輸出溫度控制和更大規(guī)模淡水生產(chǎn)，為該技術(shù)不同領(lǐng)域的實際應(yīng)用創(chuàng)造條件。
ACS Energy Letters專注于發(fā)布能源、材料領(lǐng)域高質(zhì)量研究論文，該期刊在Web of Science的物理化學(xué)、能源與燃料、多學(xué)科交叉材料科學(xué)和納米科學(xué)與納米技術(shù)分類中，均排名前十名。
王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA（Innovation Team for Energy, Water & Air）交叉學(xué)科創(chuàng)新團隊致力于解決能源、水、空氣領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(xué)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、Joule、Energy and Environmental Sciences、Nature Water、Nature Communications、Advanced Materials、ACS Energy Letters等國際期刊上發(fā)表系列跨學(xué)科交叉論文。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.3c01836
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