近日，上海交通大学机械与动力工程学院王如竹教授领衔的“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA与得克萨斯大学团队合作，在Nature Water期刊发表了题为“Scalable and Efficient Solar-driven Atmospheric Water Harvesting Enabled by Bidirectionally Aligned and Hierarchically Structured Nanocomposites”的研究论文。论文开展了吸附式空气取水“材料-单元-装置-系统”的多层级基础理论和实验研究，为吸附式空气取水的跨尺度热质有序传输和高效节能热力循环提供了新思路。上海交大机械与动力工程学院制冷与低温工程研究所博士生严泰森、王鹏飞和李廷贤研究员为论文第一作者，李廷贤研究员、王如竹教授和德克萨斯大学余桂华教授为通讯作者。
水蒸气传输过程和吸附材料结构设计新思路
空气取水技术是缓解淡水资源短缺的有效途径。近年来，太阳能驱动的吸附式空气取水技术因其高适应性和低成本等优势得到广泛关注，有望在任何时间和地点生产满足安全标准的可饮用水。然而，尽管报道的吸附材料在粉末或小颗粒测试中展现出较高的吸附性能，当规模化应用于空气取水装置时，由于材料随机堆积导致热质无序传输，不可避免地造成取水性能的大幅衰减，成为制约规模化吸附式空气取水发展的共性瓶颈难题，亟需探究吸附材料堆积结构对吸附-解吸过程中传热传质性能的影响机制，指导新型吸附材料的结构设计和空气取水“材料-单元-装置-系统”的多层级跨尺度热设计。
双定向分级多孔结构吸附材料的制备及规模化空气取水性能。(a) 双温度梯度诱导冰晶生长合成双定向分级多孔结构吸附材料的制备方法 (b) 基于双定向分级多孔结构吸附材料组装整列的规模化空气取水装置示意图 (c)不同相对湿度工况下空气取水性能比较
研究团队提出了构建跨尺度热质有序传输结构提高空气取水吸附-解吸动力学的学术思路，在理论层面，阐明了吸附材料堆积结构与热质传输性能的构效关系和影响因素，明晰了材料内部的扩散阻力是影响吸附-解吸过程性能恶化的主要原因；材料层面，首创了双温度梯度诱导冰晶生长合成双定向分级多孔结构吸附材料的热设计方法，实现了兼具低扩散深度和低曲折因子的吸附材料的优化制备；装置层面，提出了规模化空气取水装置的模块化组装热设计方法，采用双定向分级多孔结构吸附单元进行串/并联有序组装实现了空气取水装置的构建；系统层面，提出了具有普适性的主动式空气取水系统的回热新循环，实现了冷凝器冷负荷和集热器热负荷的协同降低。研究设计并搭建了规模化回热型连续式空气取水实验装置，实现了全天候宽湿度工况下的太阳能驱动高效空气取水，材料吸附量高达6.61 kgwater·kgsorbent-1，装置单日取水量高达2820 mL·kg-1·day-1。该工作阐明了材料结构设计对空气取水的重要意义，为实现规模化高效吸附式空气取水提供了新思路。
王如竹教授领衔的ITEWA（Innovation Team for Energy, Water & Air）交叉学科创新团队致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Science、Nature Reviews Materials、Nature Energy、Nature Water、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Joule等国际期刊上发表系列跨学科交叉论文。
