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東華大學成艷華/張新海 AFM：吸濕性生物基氣凝膠實現高效協同的大氣集水和被動冷卻

2025-03-24 來源：高分子科技

大氣集水技術通過從空氣中捕獲水蒸氣并將其轉化為液態水，為解決全球水資源短缺問題提供了一條極具潛力的途徑。目前，吸濕鹽分級孔復合材料、高效吸附MOF基材料、光熱協同聚合物水凝膠等一系列新型大氣集水材料已相繼問世。然而，如何在緩解淡水資源短缺的同時，協同提升資源利用效率，仍是一個亟待解決的挑戰。

針對這一問題，東華大學先進纖維材料國家重點實驗室的成艷華研究員、張新海副研究員及其團隊提出了一種創新方案：利用工業廢熱（如光伏電池產生的余熱）作為熱源，設計了一種生物基吸濕性氣凝膠，驅動大氣集水-蒸發系統協同運行。該技術不僅顯著提升了廢熱能源的利用效率，還通過蒸發冷卻機制降低了光伏電池的工作溫度，從而提高了其發電效率，同時實現了高效的大氣集水。

研究團隊開發的吸濕氣凝膠具有獨特的垂直排列通道結構，為水蒸氣的快速吸附和擴散提供了豐富的接觸面和傳輸通道，使其即使在低濕度條件下也能保持高效的吸附性能。此外，通過利用吸附-解吸循環中的蒸發冷卻效應，結合光伏余熱驅動水分子的釋放，該技術同步實現了光伏板發電效率的提升和淡水的高效收集，達到了資源利用的雙重增益。

相關工作以 “Tandem Atmospheric Water Harvesting and Passive Cooling Enabled by Hygroscopic Biopolymer-Based Aerogels” 為題，發表于《Advanced Functional Materials》。

研究團隊采用定向冷凍技術，成功構建了一種具有垂直排列通道結構的氣凝膠。該氣凝膠由細菌纖維素（BC）、海藻酸鈉（SA）、氧化石墨烯（GO）和氯化鋰（LiCl）組成，通過氫鍵相互作用和離子交聯形成了穩定的三維網絡結構（如圖1所示）。這種具有垂直通道的吸濕氣凝膠（BC/SA/GO-LiCl）經過系統集成，構建出高效的大氣集水系統，其集水能力高達1.8 g·g^-1·day^-1。進一步與光伏發電系統集成后，該材料展現出雙重增效機制：一方面能夠從空氣中高效捕獲水分，另一方面利用光伏板產生的廢熱實現被動冷卻，使光伏發電效率提升了2.9%。這一創新技術為解決水資源短缺和能源高效利用提供了新的思路，尤其在干旱或半干旱地區具有廣闊的應用前景。通過將廢熱資源與大氣集水技術相結合，該研究為可持續發展目標的實現貢獻了重要力量。

圖1. 吸濕氣凝膠的設計策略及其在大氣集水與光伏發電協同增效中的應用研究

BC/SA/GO-LiCl氣凝膠結合了LiCl的強吸濕性與垂直多孔結構的耦合效應，表現出快速的吸附動力學和廣泛的濕度適應性。在30%-90%的相對濕度（RH）范圍內，其水吸附容量可達1.4-5.7 g·g^-1。即使在低濕度條件（30% RH）下，2小時內的吸附量仍高達1.31 g·g^-1。在吸附初期，該氣凝膠在不同濕度下均展現出較高的吸附速率，同時具備優異的吸附-解吸循環穩定性。與現有吸附劑相比，BC/SA/GO-LiCl氣凝膠在寬濕度范圍內的水吸附性能表現突出，具有顯著的競爭優勢。

在太陽能驅動下，BC/SA/GO-LiCl氣凝膠能夠高效釋放吸附的水分，實現水分的快速收集（如圖2所示）。其光譜吸收特性表現出對太陽輻射的廣泛吸收能力，與BC/SA-LiCl相比，具有更高的太陽能捕獲效率。在不同光照強度下，氣凝膠表面溫度能夠迅速上升并達到穩定狀態，為水分蒸發提供了充足的熱量支持。隨著光照強度的增加，氣凝膠的質量變化顯著，蒸發速率明顯加快，在60分鐘內蒸發效率最高可達約68%，充分展現了其卓越的太陽能驅動蒸發性能。在實際應用中，該氣凝膠在太陽能驅動下的日產水量高達1.80 g·g^-1·day^-1，且收集到的水質純凈，離子濃度遠低于世界衛生組織（WHO）標準，確保了其安全性和可靠性。

圖2. 太陽能驅動吸濕氣凝膠的水分解吸附特性

在干旱地區，高密度部署的太陽能發電設備在運行過程中會產生大量廢熱，這些廢熱不僅被浪費，還會導致光伏電池溫度升高，從而降低發電效率。為解決這一問題，研究團隊將BC/SA/GO-LiCl氣凝膠與光伏板系統集成，構建了一種大氣集水與光伏被動冷卻耦合的新型系統。該系統利用光伏板運行過程中產生的廢熱驅動氣凝膠的熱解吸過程，釋放吸附的水分，同時通過水蒸氣蒸發實現光伏板的被動冷卻（如圖3所示）。實驗結果表明，在1 kW·m^-2的光照條件下，集成氣凝膠的光伏組件溫度比未集成的光伏板降低了5.8 ℃，蒸發冷卻功率達到57.7 W·m^-2。這一協同效應使光伏發電效率提升了2.9%，同時實現了0.033 kg·m^-2·h^-1的淡水產出率。基于對2050年全球光伏裝機容量的預測，該技術有望額外發電207.6 TWh，并顯著減少燃煤發電產生的二氧化碳排放量。

圖3. 串聯大氣集水與光伏發電系統，實現大氣水收集-光伏發電協同增效

綜上所述，這項研究為解決水資源短缺和提升能源利用效率提供了創新性解決方案。通過將吸濕性氣凝膠與光伏板廢熱協同利用，該技術在緩解干旱地區水資源匱乏和能源供應不足方面展現出巨大潛力。未來，通過持續優化材料性能并拓展應用場景，這一技術有望為全球水資源與能源的協同可持續發展注入強勁動力。

該工作得到了國家重點研發計劃項目（2021YFB3701600）、國家自然科學基金項目（52273031）、東華大學勵志計劃項目（LZA2024001）、中央高校基本科研業務費專項基金項目（2232024Y-01）、東華大學先進纖維材料國家重點實驗室資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202423063

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（責任編輯：xu）

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