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研究背景

水資源短缺是可持續(xù)發(fā)展面臨的最嚴(yán)重的全球性挑戰(zhàn)之一。大氣中的水分大約是地球上所有河流中水分的六倍，是一種潛在的水源。得益于水分和親水性吸附劑之間的相互作用，基于吸附的大氣集水(SAWH)顯示出獨(dú)特的適應(yīng)性和靈活性，可以隨時隨地從空氣中捕獲水?？紤]到陽光和無處不在的水分，太陽能驅(qū)動的SAWH被認(rèn)為是一種環(huán)保的生產(chǎn)水的技術(shù)。

成果簡介

從空氣中提取水是解決全球水資源短缺挑戰(zhàn)的一個有希望的途徑。基于吸附的大氣水收集(SAWH)具有隨時隨地從空氣中捕獲水的能力。然而，低產(chǎn)水量是實(shí)現(xiàn)高效SAWH的長期挑戰(zhàn)。近日，上海交通大學(xué)李廷賢研究員、王如竹教授和美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校余桂華教授等人合作報(bào)道了一種簡單的策略來合成雙向排列和分層結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料(BHNC)，用于可大規(guī)模應(yīng)用和高效的SAWH。得益于有序分層結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，加速了垂直方向的水分對流和徑向方向的孔內(nèi)擴(kuò)散，BHNC表現(xiàn)出6.61 kg_water kg_sorbent^?1的超高吸水性和超快的水吸附動力學(xué)，優(yōu)于最先進(jìn)的吸附劑。通過組裝BHNC陣列，作者進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一個可擴(kuò)展和高效的太陽能驅(qū)動的SAWH原型，展示了快速循環(huán)和高產(chǎn)水產(chǎn)量高達(dá)2820 mL·kg^-1·day^-1。

這項(xiàng)工作為彌合材料和設(shè)備之間的差距提供了新的見解，以實(shí)現(xiàn)可大規(guī)模應(yīng)用、節(jié)能的、全天候的太陽能空氣集水，堪稱“可大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的黑科技”。這項(xiàng)工作以“Scalable and efficient solar-driven atmospheric water harvesting enabled by bidirectionally aligned and hierarchically structured nanocomposites”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Water》上。祝賀！

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圖文導(dǎo)讀

圖1. 具有優(yōu)越的水輸送動力學(xué)的填料吸附劑的概念設(shè)計(jì)

圖2.?BHNC的合成與表征

在過去的十年中，人們在開發(fā)新型吸附劑方面付出了大量的努力，但對SAWH器件的熱設(shè)計(jì)卻很少關(guān)注。盡管先進(jìn)的吸附劑具有優(yōu)異的吸附性能，但由于填料的傳熱和傳質(zhì)不良，SAWH設(shè)備的水生產(chǎn)率相對較低，阻礙了它們的實(shí)際應(yīng)用。迫切需要在材料和設(shè)備層面對SAWH系統(tǒng)進(jìn)行全面創(chuàng)新。高性能水處理的關(guān)鍵問題是尋找具有高吸水能力的優(yōu)質(zhì)水處理吸附劑、具有優(yōu)異傳熱傳質(zhì)性能的可擴(kuò)展水處理設(shè)備以及具有高能效的節(jié)能水處理系統(tǒng)。

本文揭示了填料結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的本質(zhì)，并討論了不同結(jié)構(gòu)對吸附/解吸動力學(xué)的影響。受理論分析的啟發(fā)，作者報(bào)道了一種用于大氣集水的雙向排列和分層結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料(BHNC)的新策略。得益于垂直方向的水分對流和徑向方向的孔內(nèi)擴(kuò)散的協(xié)同作用，合成的BHNC具有6.61 kg_water kg_sorbent^?1的超高吸水率和超快的吸水動力學(xué)。

此外，作者設(shè)計(jì)了一個可擴(kuò)展的、高效的太陽能驅(qū)動的SAWH原型，并提出了一種節(jié)能策略，以實(shí)現(xiàn)具有協(xié)同效應(yīng)的節(jié)能SWAH:同時降低冷凝水的冷卻溫度和降低水的解吸能耗。精心設(shè)計(jì)的太陽能驅(qū)動SAWH設(shè)備可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2820 mL·kg^-1·day^-1水吸附劑的高產(chǎn)水產(chǎn)量。我們的工作為彌合SAWH材料與可擴(kuò)展，節(jié)能和高產(chǎn)大氣集水設(shè)備之間的差距提供了新的見解。

填充吸附劑內(nèi)部的水蒸氣輸送直接影響水捕獲和釋放的動力學(xué)(圖1a)。通常，吸附動力學(xué)由多步水輸運(yùn)過程決定，經(jīng)歷表面阻力、擴(kuò)散阻力和反應(yīng)阻力 (圖1b)。吸附/解吸動力學(xué)嚴(yán)重惡化是各種大型填料吸附劑的共同瓶頸，其主要原因是水蒸氣輸送的擴(kuò)散阻力增大。為了解決共同的挑戰(zhàn)，作者系統(tǒng)地討論了在包裝結(jié)構(gòu)的形態(tài)演化過程中運(yùn)輸阻力的變化(圖1c)。

提高孔隙率是降低擴(kuò)散阻力的可行方法，而高孔隙率必然會導(dǎo)致器件中填充吸附劑的減少。在優(yōu)化填充吸附劑的孔隙度時，在吸附/解吸動力學(xué)和吸水率之間仍然存在權(quán)衡。因此，降低擴(kuò)散阻力的研究重點(diǎn)是調(diào)節(jié)擴(kuò)散深度和彎曲系數(shù)。

圖3.?BHNC的吸水能力

圖4.?可伸縮BHNC塊體的吸水動力學(xué)

圖5.?采用BHNC陣列的可擴(kuò)展和高效太陽能驅(qū)動的SAWH原型演示

作者最終設(shè)計(jì)了一個可擴(kuò)展的太陽能驅(qū)動的SAWH原型，通過組裝24個BHNC模塊串聯(lián)和并聯(lián)陣列(圖5a)。該原型機(jī)主要由一個太陽能空氣收集器、一個熱回收換熱器、一個風(fēng)冷冷凝器和6個BHNC機(jī)組組成，其中包括24個BHNC模塊(圖5c)。并綜合考慮了水暖系統(tǒng)從材料、裝置、循環(huán)等方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能、高產(chǎn)空氣集水。

作者還通過理論計(jì)算系統(tǒng)地分析了不同SAWH系統(tǒng)的能量平衡。為了實(shí)現(xiàn)高熱效率的節(jié)能SAWH，作者提出了一種節(jié)能策略，即在納米復(fù)合材料到冷凝器的熱空氣和從冷凝器到太陽能集熱器的熱空氣之間進(jìn)行熱回收。該節(jié)能策略具有降低冷凝器冷負(fù)荷的同時降低太陽能集熱器熱負(fù)荷的協(xié)同效應(yīng)。得益于節(jié)能設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，帶熱回收的SAWH系統(tǒng)的熱效率可提高2-4倍，表明熱回收在實(shí)現(xiàn)節(jié)能大氣集水方面是有效的。

總結(jié)展望

綜上所述，作者分析并揭示了大氣集水填料結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的本質(zhì)。為了加速水的輸送和改善吸附/解吸動力學(xué)，作者進(jìn)一步設(shè)計(jì)了雙向結(jié)構(gòu)的填充吸附劑，具有短擴(kuò)散深度和低彎曲度。受理論分析的啟發(fā)，作者報(bào)道了一種簡單的策略來合成雙向排列和分層結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料(BHNC)，用于可擴(kuò)展和高效的從空氣中收集水。合成的BHNC通過采用多步水吸附過程和引入垂直方向的水分對流和徑向方向的孔內(nèi)擴(kuò)散的超快水吸附/解吸動力學(xué)，表現(xiàn)出高達(dá)6.61 kg_water k_absorbent^?1的超高吸水性，優(yōu)于最先進(jìn)的吸附劑。

本文的策略實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展的吸附劑，具有有序的層次結(jié)構(gòu)和熱傳遞和質(zhì)量傳遞的協(xié)同增強(qiáng)，以加速水的吸附/解吸動力學(xué)。作者設(shè)計(jì)并演示了一個快速循環(huán)太陽能驅(qū)動的SAWH原型，通過組裝BHNC塊陣列和熱回收。該樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了多次水捕獲-收集循環(huán)，高產(chǎn)水產(chǎn)量為2,000-2,820 mL·kg^-1·day^-1。作者的策略是雙向?qū)R納米復(fù)合材料，具有快速吸附動力學(xué)，具有增強(qiáng)傳熱和質(zhì)量傳遞的快速循環(huán)可擴(kuò)展的SAWH設(shè)備，以及具有熱回收循環(huán)的節(jié)能SAWH系統(tǒng)，為下一代大氣水收集材料，設(shè)備和系統(tǒng)的開發(fā)提供了新的見解。

文獻(xiàn)信息

Scalable and efficient solar-driven atmospheric water harvesting enabled by bidirectionally aligned and hierarchically structured nanocomposites. (Nat. Water 2023, DOI: 10.1038/s44221-023-00150-0)

https://www.nature.com/articles/s44221-023-00150-0

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