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  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(tuán)隊(duì)ITEWA(Innovative Team for Energy, Water & Air)與新加坡國立大學(xué)Tan Swee Ching教授合作在Advanced Materials期刊發(fā)表名為All-day Multicyclic Atmospheric Water Harvesting Enabled by Polyelectrolyte Hydrogel with Hybrid Desorption Mode的研究論文。論文開發(fā)了新一代聚電解質(zhì)凝膠復(fù)合吸附劑實(shí)現(xiàn)快速的吸附特性，并結(jié)合余熱及太陽能混合解吸策略實(shí)現(xiàn)快速水釋放。為了盡可能快速的吸附-解吸循環(huán)特性，優(yōu)化了系統(tǒng)內(nèi)傳熱傳質(zhì)特征以及全天循環(huán)策略，實(shí)現(xiàn)了取水量的倍增以及全天候的空氣取水，為下一代空氣取水材料開發(fā)、系統(tǒng)優(yōu)化提供新的見解。論文的作者為上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所、新加坡國立大學(xué)材料系聯(lián)合培養(yǎng)博士生山訸，通訊作者為王如竹教授和Tan Swee Ching教授。

【研究亮點(diǎn)】

圖：凝膠吸附劑的合成以及對(duì)自由態(tài)鹽和配位鹽的表征分析

  水凝膠復(fù)合吸附表面的吸濕鹽首先捕獲水蒸氣并發(fā)生原位液化，之后，液態(tài)水通過滲透壓差轉(zhuǎn)移到聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，并由于其獨(dú)特的膨脹特性而被儲(chǔ)存。表面吸濕部位被重新暴露以供隨后的吸附。因此，由滲透壓驅(qū)動(dòng)的水的遷移及其隨后由膨脹引起的滯留是區(qū)分水凝膠型吸附劑與其他吸附劑的決定性特征。水凝膠的溶脹特性和內(nèi)部滲透特性有利于增強(qiáng)水的儲(chǔ)存和遷移，從而顯著影響材料的吸附能力和動(dòng)力學(xué)。因此，采用聚電解質(zhì)水凝膠的強(qiáng)滲透壓作用，可以實(shí)現(xiàn)高內(nèi)部滲透壓，并在吸附過程中產(chǎn)生大的壓力梯度，進(jìn)而促進(jìn)被吸附的水分子快速運(yùn)輸?shù)剿z內(nèi)部，并刷新表面水吸附位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)吸附速率的提高。此外，聚電解質(zhì)水凝膠中帶電荷的聚合物鏈可以限制帶相反電荷的吸濕離子，形成配位鹽，這有望限制鹽的遷移率，控制溶液的泄漏。因此，獨(dú)特的具有高內(nèi)滲透壓的聚電解質(zhì)水凝膠可以改善水的運(yùn)輸和儲(chǔ)存性能，防止溶液泄漏，最終獲得快速、穩(wěn)定的吸附特性。

圖：混合解吸模式的策略、解吸性能評(píng)價(jià)及其傳熱傳質(zhì)解釋

圖：太陽能驅(qū)動(dòng)、余熱驅(qū)動(dòng)、熱流體驅(qū)動(dòng)以及混合解吸策略的比較

  從傳熱傳質(zhì)的角度來解釋，因?yàn)樘柦缑婕訜嵬ㄟ^非接觸輻射向水凝膠表面提供熱能，受太陽強(qiáng)度和光熱轉(zhuǎn)換效率的限制，其熱流密度固定且有限。相比之下，底部余熱為水凝膠下部提供了一個(gè)恒溫邊界，可以是太陽能加熱功率的數(shù)倍，不受光熱轉(zhuǎn)換效率的限制。因此，與太陽通量恒定的條件相比，底部恒溫加熱條件導(dǎo)致水凝膠內(nèi)部溫度快速平衡，內(nèi)部水蒸氣濃度梯度更高，最終導(dǎo)致余熱驅(qū)動(dòng)模式的水釋放能力更快。

  對(duì)于混合加熱方式，水凝膠吸附劑通過耦合的能量源從頂部和底部同時(shí)加熱。在混合解吸模式下，水凝膠的上表面溫度在較短的時(shí)間內(nèi)(約10 min)達(dá)到75℃。這說明換熱特性主要受SWH源提供的恒溫邊界條件控制。此外，采用混合解吸方式，內(nèi)部溫度分布較為均勻，溫差小于1℃。水凝膠中較高的平均溫度和更均勻的溫度分布都有利于水凝膠內(nèi)部的水汽輸送，導(dǎo)致比前兩種模式更快的解吸速率和解吸程度。

圖：系統(tǒng)吸附-解吸循環(huán)策略的模型優(yōu)化

圖：混合解吸策略裝置開發(fā)以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

  全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202302038

作者簡(jiǎn)介

第一作者 – 山訸 上海交通大學(xué)、新加坡國立大學(xué)博士生，導(dǎo)師王如竹教授，合作導(dǎo)師Tan Swee Ching助理教授。研究方向?yàn)閺?fù)合吸附材料用于空氣-能源-水等交叉學(xué)科研究，重點(diǎn)關(guān)注吸濕凝膠的材料開發(fā)以及空氣取水器件循環(huán)策略的優(yōu)化。

通訊作者 - 王如竹教授從事制冷、熱泵與熱調(diào)控研究，主持的成果獲國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)和國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)；作為首位中國學(xué)者榮獲國際能源署熱泵大獎(jiǎng)、國際制冷學(xué)會(huì)最高學(xué)術(shù)獎(jiǎng)Gustav Lorentzen獎(jiǎng)?wù)碌?項(xiàng)重要國際學(xué)術(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)。他領(lǐng)銜的能源-水-空氣創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（ITEWA）長(zhǎng)期致力于解決能源、水、空氣交叉領(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(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)近5年來在Science, Nature Communications, Joule, EES, Advanced Materials等高水平期刊上發(fā)表40余篇學(xué)科交叉論文。

通訊作者 - 陳瑞深（Tan Swee Ching）博士于劍橋大學(xué)獲得電氣工程博士學(xué)位，隨后于麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系進(jìn)行博士后研究，現(xiàn)為新加坡國立大學(xué)材料科學(xué)與工程系助理教授。他曾于惠普公司擔(dān)任激光加工與設(shè)備工程師，幫助公司降低至少40萬美元的年運(yùn)營成本，并將其所在部門的產(chǎn)能提高 35%，并被惠普公司授予杰出成就獎(jiǎng)。他同時(shí)也是專注于超吸濕材料的Ultra Dry公司的創(chuàng)始人。陳瑞深博士已在 Nature Electronics、Nature Sustainability、Joule, EES、Advanced Materials、Nature Comm、Science Advances 等國際頂級(jí)期刊上發(fā)表了眾多優(yōu)秀論文。