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  近日，上海交通大學王如竹教授領銜的“能源-水-空氣” 交叉學科創新團隊ITEWA(Innovative Team for Energy, Water & Air)與新加坡國立大學Tan Swee Ching教授合作在Advanced Materials期刊發表名為All-day Multicyclic Atmospheric Water Harvesting Enabled by Polyelectrolyte Hydrogel with Hybrid Desorption Mode的研究論文。論文開發了新一代聚電解質凝膠復合吸附劑實現快速的吸附特性，并結合余熱及太陽能混合解吸策略實現快速水釋放。為了盡可能快速的吸附-解吸循環特性，優化了系統內傳熱傳質特征以及全天循環策略，實現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、系統優化提供新的見解。論文的作者為上海交通大學制冷與低溫研究所、新加坡國立大學材料系聯合培養博士生山訸，通訊作者為王如竹教授和Tan Swee Ching教授。

【研究亮點】

圖：凝膠吸附劑的合成以及對自由態鹽和配位鹽的表征分析

  水凝膠復合吸附表面的吸濕鹽首先捕獲水蒸氣并發生原位液化，之后，液態水通過滲透壓差轉移到聚合物網絡內部，并由于其獨特的膨脹特性而被儲存。表面吸濕部位被重新暴露以供隨后的吸附。因此，由滲透壓驅動的水的遷移及其隨后由膨脹引起的滯留是區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部滲透特性有利于增強水的儲存和遷移，從而顯著影響材料的吸附能力和動力學。因此，采用聚電解質水凝膠的強滲透壓作用，可以實現高內部滲透壓，并在吸附過程中產生大的壓力梯度，進而促進被吸附的水分子快速運輸到水凝膠內部，并刷新表面水吸附位點，實現吸附速率的提高。此外，聚電解質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，獨特的具有高內滲透壓的聚電解質水凝膠可以改善水的運輸和儲存性能，防止溶液泄漏，最終獲得快速、穩定的吸附特性。

圖：混合解吸模式的策略、解吸性能評價及其傳熱傳質解釋

圖：太陽能驅動、余熱驅動、熱流體驅動以及混合解吸策略的比較

  從傳熱傳質的角度來解釋，因為太陽界面加熱通過非接觸輻射向水凝膠表面提供熱能，受太陽強度和光熱轉換效率的限制，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恒溫邊界，可以是太陽能加熱功率的數倍，不受光熱轉換效率的限制。因此，與太陽通量恒定的條件相比，底部恒溫加熱條件導致水凝膠內部溫度快速平衡，內部水蒸氣濃度梯度更高，最終導致余熱驅動模式的水釋放能力更快。

  對于混合加熱方式，水凝膠吸附劑通過耦合的能量源從頂部和底部同時加熱。在混合解吸模式下，水凝膠的上表面溫度在較短的時間內(約10 min)達到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部的水汽輸送，導致比前兩種模式更快的解吸速率和解吸程度。

圖：系統吸附-解吸循環策略的模型優化

圖：混合解吸策略裝置開發以及實驗驗證

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

作者簡介

第一作者 – 山訸 上海交通大學、新加坡國立大學博士生，導師王如竹教授，合作導師Tan Swee Ching助理教授。研究方向為復合吸附材料用于空氣-能源-水等交叉學科研究，重點關注吸濕凝膠的材料開發以及空氣取水器件循環策略的優化。

通訊作者 - 王如竹教授從事制冷、熱泵與熱調控研究，主持的成果獲國家自然科學二等獎和國家技術發明二等獎，何梁何利基金科學與技術創新獎；作為首位中國學者榮獲國際能源署熱泵大獎、國際制冷學會最高學術獎Gustav Lorentzen獎章等5項重要國際學術獎項。他領銜的能源-水-空氣創新團隊（ITEWA）長期致力于解決能源、水、空氣交叉領域的前沿基礎性科學問題和關鍵技術，旨在通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。團隊近5年來在Science, Nature Communications, Joule, EES, Advanced Materials等高水平期刊上發表40余篇學科交叉論文。

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