第一作者：
許嘉興，李廷賢，嚴泰森
通訊作者：
李廷賢，王如竹
通訊單位：
上海交通大學
近日，
上海交通大學王如竹教授和李廷賢研究員領銜的“能源-水-空氣”
交叉學科創新團隊ITEWA
（Innovative Team for Energy， Water & Air）在能源環境領域頂級期刊
Energy & Environmental Science
上發表了題目為“
Ultrahigh Solar-driven Atmospheric Water Production Enabled by Scalable Rapid-cycling Water Harvester with Vertically Aligned Nanocomposite Sorbent
”的研究論文。該論文提出了一種垂直陣列的石墨烯水凝膠複合吸附材料（LiCl@rGO-SA），設計構建了可實現快速連續迴圈的新型空氣取水裝置，透過吸附材料和取水裝置的創新突破實現了太陽能驅動的超高空氣取水量。複合吸附材料方面，製備的高含鹽量、高穩定性的垂直陣列LiCl@rGO-SA在15%和30%相對溼度的乾旱氣候條件下吸附量創紀錄地達到1。01 gwater/gsorbent和1。52 gwater/gsorbent；空氣取水裝置方面，提出了一種全新的半主動式快速迴圈連續空氣取水器，透過吸附過程和解吸過程的熱質傳遞設計與執行策略最佳化，實現了空氣取水器的傳熱傳質協同強化和快速連續迴圈，克服了傳統裝置每天單次迴圈的侷限，該空氣取水裝置每天可實現8次吸附-脫附的空氣取水迴圈，取水量可高達2120 mLwater/kgsorbent，且該裝置具備緊湊和輕便的優勢。
研究背景
人類的生存與發展依賴水資源的供應，根據世界衛生組織的報告，全球目前有21億人缺乏安全的飲用水，8。44億人沒有基本的飲用水設施。由於全球氣候變化導致的極端天氣頻發，全球越來越多的地區將面臨乾旱氣候和缺水挑戰。隨著人口的增加和汙染的加劇，到2050年左右全球一半以上的人口將面臨水資源短缺問題。因此，水資源短缺已經成為威脅人類生存和發展的全球性挑戰。基於水蒸氣吸附的空氣取水技術相比於常規空氣集水技術具有氣候適應性寬廣的顯著優勢，在低溼度乾旱地區或離網無水源地區具有顯著的不可替代性。然而，目前吸附空氣取水技術面臨產水量低、全天迴圈次數少（一般為單次迴圈）、能量效率低的問題，限制了其商業化應用，其低的產水量問題不僅僅來源於吸附材料在低溼度條件下的弱吸附能力，也歸因於空氣取水裝置的低工作效率。因此，為了大幅提升吸附空氣取水技術的產水能力，亟待開發新型的高效能空氣取水材料和多迴圈的高效空氣取水裝置，實現吸附式空氣取水效能的突破。
文章簡介
1.
垂直陣列石墨烯水凝膠基複合吸附劑(LiCl@rGO-SA)的設計、合成與表徵
文章採用一維冷凍定向成型和鹽負載的方法制備了具有垂直陣列孔結構的石墨烯水凝膠基複合吸附劑（LiCl@rGO-SA）。製備流程（圖1）主要包括：氧化石墨烯-海藻酸鈉（GO-SA） 混合溶液的製備與比例最佳化、基於一維冷凍定向與真空乾燥的GO-SA多孔基質製備、Ca2+交聯SA增強多孔基質的結構強度和親水性、高吸溼性水合鹽LiCl在多孔基上的負載以及氧化石墨烯部分熱還原。SEM顯示製備的石墨烯水凝膠基複合吸附材料（LiCl@rGO-SA）具備良好的垂直定向孔結構、極大的孔體積和梯級孔徑分佈。基質材料的高孔體積有助於負載較高比例的鹽從而獲得高的吸附能力，同時高孔體積賦予吸附材料良好的液態水儲存能力和迴圈穩定性。此外，SEM圖觀察發現低濃度的鹽溶液在基質表面結晶產生了奈米級別的固體鹽顆粒，分散良好的微小鹽晶體可以有助於提高鹽的吸附反應速率。
圖1 垂直陣列石墨烯水凝膠基複合吸附劑（LiCl@rGO-SA）的合成與結構表徵
2.
石墨烯水凝膠基複合吸附材料(LiCl@rGO-SA)的吸附-脫附效能
石墨烯水凝膠基複合吸附劑（LiCl@rGO-SA）具有多步吸附過程（圖2A），包括LiCl的固-氣化學吸附、LiCl·H2O的固-液潮解、LiCl溶液的液-氣吸收。由於多孔基質的高孔隙率和極高孔體積，採用10%質量濃度的LiCl溶液浸泡製備的LiCl@rGO-SA具有非常高的鹽負載量（78wt%），在15%RH和30%RH的低溼度條件下，創紀錄的實現了高達1。01 g/g和1。52 g/g的吸附量，且材料具備良好的迴圈工作穩定性（圖2G）。相比於現有的吸附空氣取水材料，LiCl@rGO-SA在寬溼度範圍內都具有明顯的優勢，尤其是在中低溼度範圍內（10%-60% RH）吸附效能超過了目前報道的絕大部分吸附空氣取水材料（圖2H）。除了高的平衡吸附量，受益於獨特設計的垂直定向孔結構賦予的低傳質阻力，LiCl@rGO-SA展現了更快的吸附動力學（圖2I）。
圖2 垂直陣列石墨烯水凝膠基複合吸附劑LiCl@rGO-SA的水蒸氣吸附效能
多次迴圈空氣取水可以顯著提升空氣取水裝置的工作效能，而高的吸附-脫附速率是實現快速多次迴圈取水的關鍵。相比於傳統的顆粒堆積式吸附材料，製備的複合吸附劑LiCl@rGO-SA具有一維陣列孔結構，因此傳質路徑更短具有更低的擴散阻力，可以實現更快的吸附-解吸過程。為了可靠地模擬並測試吸附劑在空氣取水工況下的吸附動力學特性，搭建了基於可控風速與可控溫溼度的吸附-解吸動態測試裝置，研究了LiCl@rGO-SA在不同風速工況、不同厚度下的吸附-解吸特性。研究發現：自然對流時吸附劑表面的擴散阻力佔主導，透過增加風速可明顯降低表面擴散阻力，進而顯著提升吸附劑的吸附速率；採用強制對流時吸附劑內部的擴散佔主導，隨著厚度的增加內部擴散阻力逐漸增加，吸附-解吸速率逐漸下降。此外，研究發現吸附過程中固-氣介面的吸附反應阻力相較於擴散和對流阻力明顯偏低，然而在解吸過程的後半段，由於化學解吸反應阻力較大導致整體的解吸速率由脫附反應所控制而非水蒸氣傳質控制。在上述動力學研究的基礎上，文章優選了吸附劑的厚度與吸附過程中的外部強制對流風速，以獲得較快的吸附-脫附動力學效能。
圖3 LiCl@rGO-SA的吸附-脫附動力學
3.
半主動式快速迴圈連續空氣取水器的傳熱傳質協同強化與效能測試
太陽能光熱驅動的吸附空氣取水的基本原理是利用吸附劑捕獲空氣中的水分子，之後再透過太陽能光熱驅動加熱吸附劑使水分子從吸附劑中脫附，脫附的水分子在冷凝器內冷凝實現液態水的收集。為了解決傳統間歇式空氣取水器工作過程中吸附階段不能產水的弊端和單日僅能實現單次吸附-解吸取水迴圈的侷限，作者開發設計了一種採用多吸附床切換式的連續空氣取水策略，基於吸附動力學特性（吸附所需時長是脫附所需時間的三倍），採用四片複合吸附劑組裝成長方體形風道（圖4A），其中一塊吸附劑解吸時另外三塊發生吸附，當受熱面的吸附劑完成脫附後透過切換吸附劑實現連續產水（圖4C）。透過引入光伏板驅動的風扇提供強制對流，一方面強化了水分子從環境傳輸至吸附劑孔道的傳質速率，另一方面帶走了吸附劑吸附產生的吸附熱，從而促進了吸附劑的吸附速率，同時流經冷凝器翅片帶走了水蒸氣釋放的冷凝熱，透過降低冷凝溫度加快了取水速率，一舉多得實現了空氣取水裝置的傳熱傳質協同強化。除此之外，作者採取了多種最佳化措施：1）採用選擇性吸光塗層，提高吸光效率並降低輻射熱損失；2）在吸附劑與冷凝器之間佈置隔熱層，在保證傳質的同時減弱吸附劑向冷凝器之間的傳熱，可將吸附劑與冷凝器的溫差由18。5 ℃增加至27。2 ℃；3）對冷凝表面處理，採用了PET親水薄膜加快液態水的流動與收集。基於吸附材料的快速吸附特性和空氣取水裝置的傳熱傳質協同強化，構建的半主動式快速迴圈連續空氣取水器可以實現一天8次的吸附-脫附取水迴圈，室內太陽能模擬工況下取水量達到2120 mLwater/kgsorbent/day，戶外低溼度工況的太陽能取水實驗表明在超過35℃的高溫外界環境中實現了1050 mLwater/kgsorbent/day的取水量（圖5）。
圖4 快速迴圈連續空氣取水器的設計與最佳化
減小空氣取水裝置的體積和重量對於空氣取水研究具有重要的價值，未來可以應用在乾旱地區或野外的行動式空氣取水。然而，目前的空氣取水裝置僅僅關注於單位吸附材料的產水能力而往往忽略了裝置本身的重量和體積，部分報道的空氣取水裝置的重量和體積是吸附材料的數百倍。因此，構建緊湊輕便的空氣取水裝置是空氣取水技術走向商業化的必經之路。為此，作者採用了緊湊的結構設計並從空氣取水裝置的角度評估了單位集熱面積、單位質量裝置和單位體積裝置的空氣取水能力，其數值分別達到1407 mLwater/m2/day、33 mLwater/kgdevice/day 和 18 mLwater/Ldevice/day，相關數值均顯著高於傳統空氣取水裝置的報道資料。
圖5 空氣取水器的戶外取水測試
總結
吸附式空氣取水技術是近年來興起的在低溼度環境中獲取飲用水的新穎技術，對於乾旱地區、離網地區和緊急條件下獲取飲用水具有重要的研究意義和應用價值。為了解決吸附式空氣取水技術產水量低下的瓶頸難題，上海交通大學ITEWA團隊透過從吸附材料開發與合成、材料與器件傳熱傳質強化、空氣取水裝置迴圈工作策略設計等多個角度對空氣取水進行了全面的創新與效能提升。採用一維冷凍成型與鹽負載方法，設計製備了具有垂直陣列結構、高吸附效能、良好穩定性的石墨烯水凝膠複合吸附劑（LiCl@rGO-SA），可實現低溼度下的超高吸水量，在15%和30%相對溼度下吸附量可分別高達1。01 gwater/gsorbent和1。52 gwater/gsorbent，展現了極強的低溼度下工作潛力。同時，垂直陣列的孔結構降低了水分子的傳輸阻力，使得LiCl@rGO-SA具有優異的吸附-脫附動力學。透過對空氣取水器內部傳熱傳質的協同強化，設計並搭建了一種全新的半主動式快速迴圈連續空氣取水器，在自然太陽能光照條件下展現了高達2010 mLwater/kgsorbent/day的超高空氣取水能力。該工作為實現緊湊、便攜、規模化的高效空氣取水器提供了新思路。
作者簡介
第一作者-許嘉興，上海交通大學機械與動力工程學院博士研究生
，師從李廷賢研究員，主要從事吸附式空氣取水和熱管理方面的研究，以第一作者在國際能源領域重要期刊
Energy & Environmental Science
、
Angewandte Chemie-International Edition
、
ACS Central Science、Energy、Solar Energy Materials and Solar Cells、Energy
發表SCI論文5篇，EI封面論文2篇，授權/公開專利6項。
共同第一作者-嚴泰森，上海交通大學機械與動力工程學院博士研究生
，師從李廷賢研究員，主要從事熱化學吸附儲熱和空氣取水方面的研究，在
ACS Energy Letters、Energy & Environmental Science、Advanced Materials
、
Angewandte Chemie-International Edition
、
ACS Central Science、Nano Energy、Journal of Materials Chemistry A
等國際期刊發表SCI論文12篇。
共同第一作者/通訊作者-李廷賢，上海交通大學機械與動力工程學院研究員，
國家自然科學基金優青專案獲得者，主要從事節能與儲能中的工程熱物理問題研究，涵蓋太陽能光熱轉換及綜合利用（製冷/採暖/空氣取水）、高密度儲熱及能質調控（相變儲熱/熱化學儲能/吸附熱池）、熱管理（材料/器件）等方面的研究工作，主持國家重點研發計劃專案1項、國家自然科學基金專案5項。近年來透過實施“能源科學-材料科學-化學/化工科學”的多學科、多領域交叉融合，致力於“儲能材料-儲能器件-儲能迴圈/系統”的基礎理論及關鍵技術研究，以第一/通訊作者在
Energy & Environmental Science、Progress in Energy & Combustion Scienc
e、
Advanced Materials、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Matter、Nano Energy、Energy Storage Materials
等國際知名期刊上發表系列論文，入選
ACS Central Science
等期刊封面論文6篇，授權發明專利30餘項，榮獲中國化工學會侯德榜科學技術青年獎、中國製冷學會科學技術青年獎、中國節能協會技術發明二等獎等。
共同通訊作者-王如竹，上海交通大學機械與動力工程學院講席教授，
國家基金委創新群體負責人、全球高被引科學家、國家傑青、長江學者、全國先進工作者、國家教學名師，榮獲國際製冷學會Gustav Lorentzen獎、英國製冷學會J&E Hall獎、日本傳熱學會Nukiyama熱科學紀念獎、國際能源署Rittinger國際熱泵獎、亞洲製冷Academic Award獎、國家自然科學二等獎、國家技術發明二等獎、國家教學成果二等獎等獎勵。王如竹教授於2018年建立了ITEWA交叉學科創新團隊（Innovative Team for Energy， Water& Air），致力於解決能源、水、空氣領域的前沿基礎性科學問題和關鍵技術，旨在透過學科交叉實現材料-器件-系統層面的整體解決方案，推動相關領域取得突破性進展。近年來在
Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Matter、Nano Energy、Energy Storage Materials
等國際知名期刊上發表系列跨學科交叉論文。
Jiaxing Xu，† Tingxian Li，*，† Taisen Yan，† Si Wu， Minqiang Wu， Jingwei Chao， Xiangyan Huo， Pengfei Wang， and Ru Zhu Wang*。 Ultrahigh solar-driven atmospheric water production enabled by scalable rapid-cycling water harvester with vertically aligned nanocomposite sorbent。
Energy & Environmental Science
2021。https：//doi。org/10。1039/D1EE01723C
本文來源：能源學人
