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近日，上海交大制冷與低溫工程研究所王如竹教授和李廷賢研究員領(lǐng)銜的能源-水-空氣ITEWA創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(Innovative Team for Energy, Water & Air)在能源環(huán)境領(lǐng)域期刊Energy & Environmental Science上發(fā)表了題目為“Ultrahigh solar-driven atmospheric water production enabled by scalable rapid-cycling water harvester with vertically aligned nanocomposite sorbent”的交叉學(xué)科研究論文。論文第一作者是制冷與低溫工程研究所博士研究生許嘉興、李廷賢研究員和博士研究生嚴(yán)泰森，通訊作者是李廷賢研究員和王如竹教授。
文章從吸附材料開發(fā)與合成、材料與器件傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化、空氣取水裝置循環(huán)工作策略設(shè)計(jì)等多個(gè)角度對(duì)空氣取水進(jìn)行了全面的創(chuàng)新與性能提升，提出了一種垂直陣列的石墨烯水凝膠復(fù)合吸附材料(LiCl@rGO-SA)，設(shè)計(jì)構(gòu)建了可實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)循環(huán)的新型空氣取水裝置，通過吸附材料和取水裝置的創(chuàng)新突破實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的超高空氣取水量。
圖1 垂直陣列石墨烯水凝膠基復(fù)合吸附劑(LiCl@rGO-SA)的合成與結(jié)構(gòu)表征
文章采用一維冷凍定向成型和鹽負(fù)載的方法制備的 LiCl@rGO-SA具備良好的垂直定向孔結(jié)構(gòu)、極大的孔體積和梯級(jí)孔徑分布。基質(zhì)材料的高孔體積有助于負(fù)載較高比例的鹽從而獲得高的吸附能力，同時(shí)高孔體積賦予吸附材料良好的液態(tài)水儲(chǔ)存能力和循環(huán)穩(wěn)定性。由于多孔基質(zhì)的高孔隙率和極高孔體積，采用10%質(zhì)量濃度的LiCl溶液浸泡制備的LiCl@rGO-SA具有非常高的鹽負(fù)載量(78wt%)，在15%RH和30%RH的低濕度條件下，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.01 g/g和1.52 g/g的吸附量，且材料具備良好的循環(huán)工作穩(wěn)定性。
圖2快速循環(huán)連續(xù)空氣取水器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化
為了解決傳統(tǒng)間歇式空氣取水器工作過程中吸附階段不能產(chǎn)水的弊端和單日僅能實(shí)現(xiàn)單次吸附-解吸取水循環(huán)的局限，文章開發(fā)設(shè)計(jì)了一種采用多吸附床切換式的連續(xù)空氣取水策略。引入強(qiáng)制對(duì)流，一方面強(qiáng)化了水分子從環(huán)境傳輸至吸附劑孔道的傳質(zhì)速率，另一方面帶走了吸附劑吸附產(chǎn)生的吸附熱，從而促進(jìn)了吸附劑的吸附速率，同時(shí)流經(jīng)冷凝器翅片帶走了水蒸氣釋放的冷凝熱，一舉多得實(shí)現(xiàn)了空氣取水裝置的傳熱傳質(zhì)協(xié)同強(qiáng)化。文章構(gòu)建的半主動(dòng)式快速循環(huán)連續(xù)空氣取水器可以實(shí)現(xiàn)一天8次的吸附-脫附取水循環(huán)，室內(nèi)太陽(yáng)能模擬工況下取水量達(dá)到2120 mLwater/kgsorbent/day，戶外低濕度工況的太陽(yáng)能取水實(shí)驗(yàn)表明在超過35°C的高溫外界環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了1050 mLwater/kgsorbent/day的取水量。該工作為實(shí)現(xiàn)緊湊、便攜、規(guī)模化的高效空氣取水器提供了新思路。
研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目的資助。
王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA團(tuán)隊(duì)近年來在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Matter、Nano Energy、Energy Storage Materials等期刊上發(fā)表了20余篇論文，該團(tuán)隊(duì)致力于解決能源、水、空氣交叉領(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(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。
論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D1EE01723C
報(bào)道鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/xwA9PeNzXIlAFepRXWdNyw
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