近日，上海交通大学王如竹教授领衔的“能源-空气-水”交叉学科创新团队ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）在Advanced Materials上发表了题目为“All-day Multicyclic Atmospheric Water Harvesting Enabled by Polyelectrolyte Hydrogel with Hybrid Desorption Mode”的研究论文。论文开发了新一代聚电解质凝胶复合吸附剂实现快速的吸附特性，并结合余热及太阳能混合解吸策略实现快速水释放。为了尽可能快速地吸附-解吸循环特性，优化了系统内传热传质特征以及全天循环策略，实现了取水量的倍增以及全天候的空气取水，为下一代空气取水材料开发、系统优化提供新的见解。论文第一作者为上海交大制冷与低温工程研究所、新加坡国立大学联合培养博士生山訸，通讯作者为王如竹教授和Tan Swee Ching教授。
淡水短缺已成为威胁人类可持续发展的紧迫全球性挑战。基于吸附的大气水收集(AWH)被认为是缓解水资源短缺的一种有前途的方法，可以在大范围的相对湿度下实现淡水生产，特别是在低相对湿度的环境中。然而，目前吸附剂的动力学特性仍然受限，限制了空气取水系统取水量的进一步提高。此外，目前单一的太阳能驱动水释放解吸模式，难以实现真正的不受天气、气候影响的全天候、全地理位置取水。
为此，在材料设计方面，文章采用聚电解质水凝胶的强渗透压作用，实现高内部渗透压，并在吸附过程中产生大的压力梯度，进而促进被吸附的水分子快速运输到水凝胶内部，并刷新表面水吸附位点，实现吸附速率的提高。此外，聚电解质水凝胶中带电荷的聚合物链可以限制带相反电荷的吸湿离子，形成配位盐，这有望限制盐的迁移率，控制溶液的泄漏。因此，独特的具有高内渗透压的聚电解质水凝胶，可以改善水的运输和储存性能，防止溶液泄漏，最终获得快速、稳定的吸附特性。
系统能源输入方面，目前单一太阳能解吸模式难以实现全天候取水，且由于光热转换以及吸附剂内部传热阻碍，造成解吸速率有限。如使用工厂排放等余热作为太阳能的一种能量补充，实现混合解吸模式，有望获得更均匀和可控的吸附剂解吸温度，从而更有效地释放水。此外，这种方法可以实现全天产水，而不受气候和日变化的影响。研究结果表明，在太阳能和余热混合解吸模式下，系统的水释放程度和速度均高于单一太阳能加热或单一余热加热模式。其主要原因是，水凝胶吸附剂通过耦合的能量源从顶部和底部同时加热，因而水凝胶的上表面温度在较短的时间内(约10 min)达到75℃。此外，采用混合解吸方式，内部温度分布较为均匀，温差小于1℃。水凝胶中较高的平均温度和更均匀的温度分布都有利于水凝胶内部的水汽输送，产生比前两种模式更快的解吸速率和解吸程度。
系统设计方面，用于水释放解吸的操作策略对空气取水系统的整体性能也有很大影响。每日单一吸附-解吸循环，由于吸附和解吸速率不匹配而造成时间和能源浪费，而采用主动多循环或分批处理模式可以保持较高的集水速率，成功地将产水量推至1 L kgabsorb-1 day-1以上，但多循环和分批处理集水器的吸附和解吸时间优化仍需要精确调整。为此，研究利用Fickian模型开发了MATLAB优化程序，寻找了最佳吸附和解吸策略。该策略考虑了凝胶吸附剂在循环过程中由于脱水不完全造成的动力学下降等问题，更加精细化地提供了全天候多循环解吸的优化模式。最终实现了2410 mLwater kgsorbent-1 day-1 的取水量，是不采用混合解吸策略和优化全天循环策略得到的产水量的353%（仅采用太阳能驱动）和255%（仅采用余热驱动）。
这种聚电解质水凝胶吸附剂的开发、耦合可持续能源驱动的混合解吸模式以及系统级传热传质和循环策略优化，为下一代空气取水系统铺平了道路，极大地拉近了与日产水量在数公斤尺度上的距离。
王如竹教授领衔的能源-空气-水创新团队长期致力于解决能源、水、空气交叉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。团队近年来在Science, Nature Communications, Joule, EES, Advanced Materials等高水平期刊发表系跨学科交叉论文。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202302038
