近日，機械與動力工程學(xué)院王如竹ITEWA創(chuàng)新團隊在Nature Reviews Materials上發(fā)表題為“Hygroscopic salt-embedded composite materials for sorption-based atmospheric water harvesting”的綜述論文，從熱力學(xué)角度分析了用于空氣取水的吸濕鹽摻雜復(fù)合吸附劑中吸濕性鹽、水和鹽溶液之間的相互作用關(guān)系，建立了吸濕鹽類型與含量、孔隙結(jié)構(gòu)和基質(zhì)承載能力等結(jié)構(gòu)參數(shù)與最終材料性能之間的聯(lián)系，總結(jié)性地提出了指導(dǎo)吸附劑吸附量、解吸焓、動力學(xué)和穩(wěn)定性的理論設(shè)計框架，為空氣取水及相關(guān)領(lǐng)域中吸附材料的設(shè)計提供統(tǒng)一驗證與調(diào)控新方法。上海交通大學(xué)-新加坡國立大學(xué)聯(lián)授學(xué)位博士生山訸為論文第一作者，王如竹教授、新加坡國立大學(xué)陳瑞深副教授為通訊作者。
大氣中蘊含著約為全球河流總儲水量六倍的水蒸氣，通過空氣取水技術(shù)，可以在任何地點和時間獲取大量淡水，為解決水資源短缺問題提供了一種可持續(xù)方案。吸濕材料（即吸附劑）的吸附潛力決定了從給定環(huán)境中捕獲水蒸氣的能力，是決定吸附式空氣取水性能的關(guān)鍵因素。然而，對于大多數(shù)已報道的鹽摻雜復(fù)合吸附材料，合成參數(shù)的定性選擇以及組分之間不清晰的相互作用，極大影響了材料吸附行為的精準調(diào)控及預(yù)測。同時，將這些技術(shù)與輻射冷卻、3D打印等新興能源技術(shù)相結(jié)合，也需要精準設(shè)計方法為該技術(shù)的發(fā)展提供更大的想象空間。因此，有必要從熱力學(xué)角度建立理解鹽摻雜復(fù)合吸附材料的材料組分與結(jié)構(gòu)和最終性能的聯(lián)系，實現(xiàn)材料的精準設(shè)計和預(yù)測。
本文基于吸濕鹽-水-鹽溶液之間熱力學(xué)相互作用的分析獲得了吸濕鹽摻雜復(fù)合吸附劑的設(shè)計框架。對于吸附量設(shè)計，利用吸附反應(yīng)的水合-潮解-吸收多步反應(yīng)理論以及蒸氣壓差平衡理論計算了理論吸附量的大小；對于解吸焓設(shè)計，利用解吸的不同熱力學(xué)狀態(tài)點計算了全過程的焓值變化并強調(diào)了溶液濃縮焓與蒸發(fā)焓的差異，指出解吸焓精準設(shè)計和環(huán)境工況的選擇方法；對于吸附動力學(xué)設(shè)計，將凝膠與非凝膠基質(zhì)的吸附動力學(xué)實現(xiàn)形式統(tǒng)一，分析了影響吸附動力學(xué)的結(jié)構(gòu)因素并建立了與最終性能之間的聯(lián)系，為評判多種材料的吸附動力學(xué)提供了理論依據(jù)；對于穩(wěn)定性設(shè)計，分析了吸濕鹽吸收后的體積膨脹并建立了與基質(zhì)的承載力的聯(lián)系，指出了材料設(shè)計和制備過程中的合理結(jié)構(gòu)與參數(shù)選擇方法。本文從能量流角度，分析了吸附過程中的輸入冷量和解吸過程中輸入熱量對整個吸附-解吸的增強過程的作用，指出了提高兩個過程的具體方法和相互耦合提高的可能方案。
本文基于基本熱力學(xué)原理評估了吸濕鹽摻雜復(fù)合吸附劑的理論吸附量和解吸焓，提出了增強吸附動力學(xué)的策略，制定了開發(fā)高穩(wěn)定性、無泄漏材料的指導(dǎo)方針，同時還從能量流的角度提出了改善吸附-解吸的策略。論文為吸附式空氣取水領(lǐng)域后續(xù)發(fā)展指出了材料設(shè)計方面的發(fā)展和考慮方向，有望為后續(xù)材料的精準設(shè)計與系統(tǒng)的優(yōu)化提供思路。
王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA交叉學(xué)科創(chuàng)新團隊（Innovative Team for Energy，Water & Air）致力于解決能源、水、空氣領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(xué)科交叉實現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進展。團隊近5年來在Science、Nature Reviews Materials、Nature Water、Nature Communications、Joule、Energy and Environmental Science、Advanced Materials等國際期刊上發(fā)表系列跨學(xué)科交叉論文。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41578-024-00721-x
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