水資源短缺是可持續發展面臨的最嚴重的全球性挑戰之一。大氣中的水分大約是地球上所有河流中水分的六倍，是一種潛在的水源。得益于水分和親水性吸附劑之間的相互作用，基于吸附的大氣集水(SAWH)顯示出獨特的適應性和靈活性，可以隨時隨地從空氣中捕獲水?？紤]到陽光和無處不在的水分，太陽能驅動的SAWH被認為是一種環保的生產水的技術。
從空氣中提取水是解決全球水資源短缺挑戰的一個有希望的途徑?；谖降拇髿馑占?SAWH)具有隨時隨地從空氣中捕獲水的能力。然而，低產水量是實現高效SAWH的長期挑戰。近日，上海交通大學李廷賢研究員、王如竹教授和美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授等人合作報道了一種簡單的策略來合成雙向排列和分層結構的納米復合材料(BHNC)，用于可大規模應用和高效的SAWH。得益于有序分層結構的協同作用，加速了垂直方向的水分對流和徑向方向的孔內擴散，BHNC表現出6.61 kgwater kgsorbent?1的超高吸水性和超快的水吸附動力學，優于最先進的吸附劑。通過組裝BHNC陣列，作者進一步設計了一個可擴展和高效的太陽能驅動的SAWH原型，展示了快速循環和高產水產量高達2820 mL·kg-1·day-1。
這項工作為彌合材料和設備之間的差距提供了新的見解，以實現可大規模應用、節能的、全天候的太陽能空氣集水，堪稱“可大規模實際應用的黑科技”。這項工作以“Scalable and efficient solar-driven atmospheric water harvesting enabled by bidirectionally aligned and hierarchically structured nanocomposites”為題發表在國際頂級期刊《Nature Water》上。祝賀！
圖1. 具有優越的水輸送動力學的填料吸附劑的概念設計
在過去的十年中，人們在開發新型吸附劑方面付出了大量的努力，但對SAWH器件的熱設計卻很少關注。盡管先進的吸附劑具有優異的吸附性能，但由于填料的傳熱和傳質不良，SAWH設備的水生產率相對較低，阻礙了它們的實際應用。迫切需要在材料和設備層面對SAWH系統進行全面創新。高性能水處理的關鍵問題是尋找具有高吸水能力的優質水處理吸附劑、具有優異傳熱傳質性能的可擴展水處理設備以及具有高能效的節能水處理系統。
本文揭示了填料結構-性能關系的本質，并討論了不同結構對吸附/解吸動力學的影響。受理論分析的啟發，作者報道了一種用于大氣集水的雙向排列和分層結構納米復合材料(BHNC)的新策略。得益于垂直方向的水分對流和徑向方向的孔內擴散的協同作用，合成的BHNC具有6.61 kgwater kgsorbent?1的超高吸水率和超快的吸水動力學。
此外，作者設計了一個可擴展的、高效的太陽能驅動的SAWH原型，并提出了一種節能策略，以實現具有協同效應的節能SWAH:同時降低冷凝水的冷卻溫度和降低水的解吸能耗。精心設計的太陽能驅動SAWH設備可實現高達2820 mL·kg-1·day-1水吸附劑的高產水產量。我們的工作為彌合SAWH材料與可擴展，節能和高產大氣集水設備之間的差距提供了新的見解。
填充吸附劑內部的水蒸氣輸送直接影響水捕獲和釋放的動力學(圖1a)。通常，吸附動力學由多步水輸運過程決定，經歷表面阻力、擴散阻力和反應阻力 (圖1b)。吸附/解吸動力學嚴重惡化是各種大型填料吸附劑的共同瓶頸，其主要原因是水蒸氣輸送的擴散阻力增大。為了解決共同的挑戰，作者系統地討論了在包裝結構的形態演化過程中運輸阻力的變化(圖1c)。
提高孔隙率是降低擴散阻力的可行方法，而高孔隙率必然會導致器件中填充吸附劑的減少。在優化填充吸附劑的孔隙度時，在吸附/解吸動力學和吸水率之間仍然存在權衡。因此，降低擴散阻力的研究重點是調節擴散深度和彎曲系數。
圖5.?采用BHNC陣列的可擴展和高效太陽能驅動的SAWH原型演示
作者最終設計了一個可擴展的太陽能驅動的SAWH原型，通過組裝24個BHNC模塊串聯和并聯陣列(圖5a)。該原型機主要由一個太陽能空氣收集器、一個熱回收換熱器、一個風冷冷凝器和6個BHNC機組組成，其中包括24個BHNC模塊(圖5c)。并綜合考慮了水暖系統從材料、裝置、循環等方面的優化設計，實現了高效節能、高產空氣集水。
作者還通過理論計算系統地分析了不同SAWH系統的能量平衡。為了實現高熱效率的節能SAWH，作者提出了一種節能策略，即在納米復合材料到冷凝器的熱空氣和從冷凝器到太陽能集熱器的熱空氣之間進行熱回收。該節能策略具有降低冷凝器冷負荷的同時降低太陽能集熱器熱負荷的協同效應。得益于節能設計，與傳統系統相比，帶熱回收的SAWH系統的熱效率可提高2-4倍，表明熱回收在實現節能大氣集水方面是有效的。
綜上所述，作者分析并揭示了大氣集水填料結構-性能關系的本質。為了加速水的輸送和改善吸附/解吸動力學，作者進一步設計了雙向結構的填充吸附劑，具有短擴散深度和低彎曲度。受理論分析的啟發，作者報道了一種簡單的策略來合成雙向排列和分層結構的納米復合材料(BHNC)，用于可擴展和高效的從空氣中收集水。合成的BHNC通過采用多步水吸附過程和引入垂直方向的水分對流和徑向方向的孔內擴散的超快水吸附/解吸動力學，表現出高達6.61 kgwater kabsorbent?1的超高吸水性，優于最先進的吸附劑。
本文的策略實現了可擴展的吸附劑，具有有序的層次結構和熱傳遞和質量傳遞的協同增強，以加速水的吸附/解吸動力學。作者設計并演示了一個快速循環太陽能驅動的SAWH原型，通過組裝BHNC塊陣列和熱回收。該樣機實現了多次水捕獲-收集循環，高產水產量為2,000-2,820 mL·kg-1·day-1。作者的策略是雙向對齊納米復合材料，具有快速吸附動力學，具有增強傳熱和質量傳遞的快速循環可擴展的SAWH設備，以及具有熱回收循環的節能SAWH系統，為下一代大氣水收集材料，設備和系統的開發提供了新的見解。
Scalable and efficient solar-driven atmospheric water harvesting enabled by bidirectionally aligned and hierarchically structured nanocomposites. (Nat. Water 2023, DOI: 10.1038/s44221-023-00150-0)
https://www.nature.com/articles/s44221-023-00150-0
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