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與得克薩斯大學(xué)團隊合作，在Nature Water期刊發(fā)表了題為“Scalable and Efficient Solar-driven Atmospheric Water Harvesting Enabled by Bidirectionally Aligned and Hierarchically Structured Nanocomposites”的研究論文。論文開展了吸附式空氣取水“材料-單元-裝置-系統(tǒng)”的多層級基礎(chǔ)理論和實驗研究，為吸附式空氣取水的跨尺度熱質(zhì)有序傳輸和高效節(jié)能熱力循環(huán)提供了新思路。制冷與低溫工程研究所博士生嚴泰森、王鵬飛和李廷賢研究員為論文第一作者，李廷賢研究員、王如竹教授和德克薩斯大學(xué)余桂華教授為通訊作者。
水蒸氣傳輸過程和吸附材料結(jié)構(gòu)設(shè)計新思路
空氣取水技術(shù)是緩解淡水資源短缺的有效途徑。近年來，太陽能驅(qū)動的吸附式空氣取水技術(shù)因其高適應(yīng)性和低成本等優(yōu)勢得到廣泛關(guān)注，有望在任何時間和地點生產(chǎn)滿足安全標準的可飲用水。然而，盡管報道的吸附材料在粉末或小顆粒測試中展現(xiàn)出較高的吸附性能，當規(guī)模化應(yīng)用于空氣取水裝置時，由于材料隨機堆積導(dǎo)致熱質(zhì)無序傳輸，不可避免地造成取水性能的大幅衰減，成為制約規(guī)模化吸附式空氣取水發(fā)展的共性瓶頸難題，亟需探究吸附材料堆積結(jié)構(gòu)對吸附-解吸過程中傳熱傳質(zhì)性能的影響機制，指導(dǎo)新型吸附材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和空氣取水“材料-單元-裝置-系統(tǒng)”的多層級跨尺度熱設(shè)計。
雙定向分級多孔結(jié)構(gòu)吸附材料的制備及規(guī)模化空氣取水性能
(a) 雙溫度梯度誘導(dǎo)冰晶生長合成雙定向分級多孔結(jié)構(gòu)吸附材料的制備方法
(b) 基于雙定向分級多孔結(jié)構(gòu)吸附材料組裝整列的規(guī)模化空氣取水裝置示意圖
(c) 不同相對濕度工況下空氣取水性能比較
研究團隊提出了構(gòu)建跨尺度熱質(zhì)有序傳輸結(jié)構(gòu)提高空氣取水吸附-解吸動力學(xué)的學(xué)術(shù)思路，在理論層面，闡明了吸附材料堆積結(jié)構(gòu)與熱質(zhì)傳輸性能的構(gòu)效關(guān)系和影響因素，明晰了材料內(nèi)部的擴散阻力是影響吸附-解吸過程性能惡化的主要原因；材料層面，首創(chuàng)了雙溫度梯度誘導(dǎo)冰晶生長合成雙定向分級多孔結(jié)構(gòu)吸附材料的熱設(shè)計方法，實現(xiàn)了兼具低擴散深度和低曲折因子的吸附材料的優(yōu)化制備；裝置層面，提出了規(guī)模化空氣取水裝置的模塊化組裝熱設(shè)計方法，采用雙定向分級多孔結(jié)構(gòu)吸附單元進行串/并聯(lián)有序組裝實現(xiàn)了空氣取水裝置的構(gòu)建；系統(tǒng)層面，提出了具有普適性的主動式空氣取水系統(tǒng)的回?zé)嵝卵h(huán)，實現(xiàn)了冷凝器冷負荷和集熱器熱負荷的協(xié)同降低。研究設(shè)計并搭建了規(guī)模化回?zé)嵝瓦B續(xù)式空氣取水實驗裝置，實現(xiàn)了全天候?qū)挐穸裙r下的太陽能驅(qū)動高效空氣取水，材料吸附量高達6.61 kgwater·kgsorbent-1，裝置單日取水量高達2820 mL·kg-1·day-1。該工作闡明了材料結(jié)構(gòu)設(shè)計對空氣取水的重要意義，為實現(xiàn)規(guī)模化高效吸附式空氣取水提供了新思路。
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、Nature Energy、Nature Water、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Joule等國際期刊上發(fā)表系列跨學(xué)科交叉論文。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s44221-023-00150-0
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