上海交通大学ITEWA创新团队2020年研究成果回顾

团队简介：

ITEWA (Innovative Team for Energy, Water & Air) 创新团队是由上海交通大学王如竹教授于2018年创建并领导的前沿科学问题研究团队，聚焦于能源转换与效率、水及空气处理等领域的前沿基础科学技术问题。通过学科交叉实现材料、器件和系统层面的整体解决方案，从而推动相关技术领域取得突破性进展。团队的主要成员有李廷贤研究员、葛天舒教授、徐震原副教授，以及10余位博士生和博士后。2018年成立以来至2019年底先后在Joule上发表2篇论文（空气取水综述， 固态制冷湿泵），Advanced Materials上发表1篇论文（高导热相变材料）。

2020年，ITEWA创新研究团队又相继在Joule、Energy & Environmental Science、Angewandte Chemie-International Edition、ACS Central Science、ACS Materials Letters、Energy Storage Materials、Journal of Materials Chemistry A等国际著名期刊上发表9篇跨学科交叉论文。2020年发表的论文主要研究成果如下：

1、Joule：基于环境水蒸气吸附-解吸循环的电子设备散热新策略

简介：针对电子器件的发热问题和传统的强制对流、压缩制冷等主动措施在能耗、重量、体积等方面限制多等难题。ITEWA创新团队给出了一种基于吸附剂吸附-解吸循环的热管理措施，为电子设备散热提供了一种全新方案。通过MIL-101（Cr）涂层的测试表明，与传统固-液PCMs相比，该方案具有更优越的性能，能够显著延长控温的作用时长。这归因于高吸湿能力的吸附剂材料具有更大的潜热储存能力，即更高的等效焓值。该方法能够拓展至各类吸附剂材料，以及应用于更加广泛的应用场景，例如锂电池快充、5G通讯、光伏发电等具有典型周期性散热需求的场合。该研究成果在Cell Press旗下的能源类顶级期刊Joule上发表。该论文“仿生发汗电子冷却”获得了AAAS EurekAlert, SciencaDaily以及中国政府门户网站等上百个媒体报道。

Chenxi Wang, Lingji Hua, Hongzhi Yan, Bangjun Li, Yaodong Tu, Ruzhu Wang*. A Thermal Management Strategy for Electronic Devices Based on Moisture Sorption-Desorption Processes, Joule (2020), 4, 435–447.

论文连接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.12.005.

2、Energy Storage Materials：空气湿度驱动的吸附热池稳定输出机理

简介：空气湿度驱动的吸附系统具有较强的湿度捕获能力和吸附热效应，在吸附储热、空气取水和除湿等领域有巨大应用前景。ITEWA创新团队首次发现了吸附反应床内的“反应波”现象，并据此提出“反应波”模型，解释了实现稳定输出的机理并为吸附剂选择和反应床设计提供准则。在利用“反应波”模型实现稳定输出的前提下，为了进一步提高储热密度，首次提出了“双床吸附热池”的设计策略并搭建了一台1.3 kWh的概念验证样机。实验结果表明，该样机在吸附放热阶段可将入口空气由20 oC加热至38.1 oC并维持5.51小时，对应的储热密度（240 kWh/m3）也大于当前文献报道的同类系统的数值。该研究成果在能源和材料科学领域的重要期刊Energy Storage Materials上发表。

Yannan Zhang, Haohui Dong, Ruzhu Wang*, Penghui Feng. Air humidity assisted sorption thermal battery governed by reaction wave model. Energy Storage Materials (2020), 27, 9–16.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.01.012

3、Angew. Chem. Int. Ed.：MOFs封装吸湿盐实现太阳能干燥空气取水

简介：吸附式空气取水技术是一种潜在的解决干旱地区水资源匮乏问题的方法。然而受限于目前吸附材料在低相对湿度下吸附量较低的瓶颈问题，现有报道的空气取水装置的取水量低下，难以进行大规模商业化应用。为此，ITEWA创新团队提出了通过离子溶液渗透法将高吸湿性盐氯化锂封装在多孔MOFs材料中制备高性能热化学多形态吸附材料的新思路，成功制备了含盐量高的LiCl@MIL-101(Cr)复合吸附材料，具有水蒸气吸附量大、吸附速率高、稳定性好的优点。在上述研究的基础上，研究团队通过合理设计空气取水装置，将制备的复合吸附材料应用在装置中实现了在低相对湿度条件下从干燥空气中快速水蒸气捕捉与自然光照下的加热脱附收集，该装置单次循环的空气取水量高达0.45~0.70 kg/kg，显著高于目前国际顶级期刊的报道数据，该方法有望推动基于吸附材料的空气取水技术的快速发展与商业化应用。该成果以Hot Paper形式发表在能源化学领域顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.，并入选了国家自然科学基金委主办的英文版季刊《Science Foundation in China》的突出科研成果Research Highlights。

Jiaxing Xu^‡, Tingxian Li^‡,*, Jingwei Chao, Si Wu, Taisen Yan, Wenchen Li, Biye Cao, and Ruzhu Wang* (2020). Efficient Solar-Driven Water Harvesting from Arid Air with Metal–Organic Frameworks Modified by Hygroscopic Salt. Angew. Chem. Int. Ed. (2020), 59, 2–11.

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.201915170

4、Energy & Environmental Science：局部加热型多级太阳能蒸馏实现超高效海水淡化

简介：全被动式的太阳能海水淡化是解决海水淡化技术适应性的完美方案，且适用于缺乏基建和偏远地区，然而其效率一直偏低（约35%）。近年来，太阳能界面蒸发为高效便携式海水淡化提供了新的思路，成为了能源科学、材料科学和热科学的交叉领域研究热点，但在其效率仍然十分有限（约100%）。为此，ITEWA创新研究团队提出了“界面局部加热型多级太阳能蒸馏架构”，结合了太阳能界面局部加热和蒸汽焓回收，突破了前述研究的局限，显著提升了被动式太阳能海水淡化的效率。在该论文中研究团队指出系统性的能量传递优化，而非高性能材料，是达到超高效太阳能海水淡化的关键。通过采用商用和低成本材料搭建的实验装置，研究团队在一个太阳辐照条件下创纪录地实现了385%的综合能量转换效率和5.78 L m^-2 h^-1的产率。该工作为解决偏远或离网地区淡水短缺问题提供了实际解决方案，也为界面太阳能蒸发走向实用化和高效化提供了全新思路和理论框架。相关研究成果发表在能源领域顶级期刊Energy & Environmental Science，被包括AAAS EurekAlert, SciencaDaily以及中国科学报在内的上百个科技媒体报道，并入选了美国MIT的2020年十大研究新闻。

Zhenyuan Xu^‡, Lenan Zhang^‡, Lin Zhao^‡, Bangjun Li^‡, Bikram Bhatia, Chenxi Wang, Kyle L. Wilke, Youngsup Song, Omar Labban,John H. Lienhard, Ruzhu Wang* and Evelyn N. Wang*. Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still. Energy & Environmental Science (2020), 13, 830 -839.

论文链接：https://doi.org/10.1039/c9ee04122b

5、Energy Storage Materials：吸附储热的概念、过程、应用和展望

简介：吸附储热技术是一种高效的新型能量利用方式，通过收集和储存多余的能量，并按需释放，实现供需平衡。ITEWA创新研究创新撰文总结了传统物理吸附剂、新型多孔材料（MOFs等）、化学吸附剂和复合吸附剂的吸附储热性能和研究成果；比较了基础的开式和闭式系统的储热性能，总结和描述了新型的高性能工作循环，如双模式闭式跨季节储热系统和两级溶液吸收系统；总结了目前研究者们在开式系统，闭式固体吸附系统和溶液吸收系统中采用的改善整体性能的先进的设计策略；提出了评价吸附储热系统的运行性能的关键参数，并汇总了文献报道的典型的开式和闭式吸附储热系统的关键参数。文章展望了吸附储热技术，包括建立获得预期性能的复合吸附剂的加工指南，研究系统实现稳定输出的机理和策略，建立完善的评价系统性能的通用标准和提高吸附反应床的传热传质性能。该论文在能源和材料科学领域的重要期刊Energy Storage Materials上发表。

Yannan Zhang, Ruzhu Wang*. Sorption Thermal Energy Storage: Concept, Process, Applications and Perspectives. Energy Storage Materials (2020), 27, 352–369.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.02.024

6、ACS Materials Letters：超级空气取水的二元亲水聚合盐新型水凝胶材料

简介：吸附式空气取水技术在缓解全球水资源短缺问题上具有广阔的应用前景。ITEWA创新研究团队提出并制备了新型吸水材料Bina/FCNT，该材料在很宽的相对湿度范围内快速吸收空气中的水分。实验数据表明，每克此材料在70% RH条件下吸水量可以高达5.6 g，即使在更加干燥的20%RH条件下也能达到1.4 g。为了实际测试Bina/FCNT的取水性能，此项研究专门设计制作了一个便携式被动太阳能蒸发器，采用双斜面的结构以取得更高的太阳能吸收效率。实验结果表明，Bina/FCNT的结构和性能在高达80 °C的温度条件下依然保持稳定，并且当解吸温度设置为70 °C时装置的单位产水能耗较低（13.3 kJ/ml）。研究证明新型Bina/FCNT吸附剂在基于吸附的可移动分布式淡水生产技术领域的应用前景十分广阔。该研究成果发表在美国化学会新刊ACS Materials Letters上，并入选当期期刊的封面论文。

Akram Entezari, Mojtaba Ejeian, Ruzhu Wang*. Super atmospheric water harvesting hydrogel with alginate chains modified with binary salts. ACS Materials Letters (2020), 2, 5, 471–477.

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.9b00315

7、Journal of Materials Chemistry A：胺功能化镁铝复合氧化物用于直接空气CO₂捕集

简介：直接空气捕集二氧化碳，即Direct Air Capture（DAC），是一种典型的“负排放”技术，指的是通过吸收或吸附法直接从空气中去除微量二氧化碳，从而降低大气CO₂浓度的过程。目前DAC吸附剂主要是基于胺浸渍/嫁接的介孔二氧化硅类材料，然而这类材料存在吸附动力学和热稳定性方面的问题。为此，ITEWA创新研究团队提出了一种新的PEI功能化Mg-Al-CO₃ MMO吸附剂用于极稀工况下的二氧化碳捕获。通过使用低Mg/Al比的Mg_xAl-CO₃和AMOST处理方法使得MMO前驱体被剥离成20–200 nm范围的纳米片，在煅烧处理后自组装成球形颗粒。浸渍的聚胺分子均匀地分散在MMO纳米片的表面，从而使二氧化碳吸附位点更容易暴露。得益于理想的载体纳米结构，PEI/MMO复合材料与PEI/SBA-15相比具有更高的CO₂吸附能力和动力学特性。67 wt.% PEI负载的Mg_0.55Al-O MMO在25 ℃和0.4 mbar CO₂条件下的总CO₂吸附量为2.27 mmol/g，吸附速率达到1.1 mmol/g∙h。此外，缺陷丰富的MMO片层对附着的聚胺具有很强的静电吸引力，这使得复合吸附剂在含水蒸气情况下能保持良好的循环稳定性。胺功能化MMOs的低成本、简便的制造和优异的CO₂吸附量、动力学、稳定性使其适合应用于规模化DAC装置。相关研究成果发表在材料领域著名期刊Journal of Materials Chemistry A。

Xuancan Zhu, Tianshu Ge,* Fan Yang，Meng Lyu, Chunping Chen, Dermot O’Hare, and Ruzhu Wang*. Efficient CO₂ Capture from Ambient Air with Amine-Functionalized Mg–Al Mixed Metal Oxides. Journal of Materials Chemistry A (2020), 8, 16421-16428.

论文链接：https:/doi.org/10.1039/d0ta05079b

8、ACS Central Science：近零能耗、自适应智能型电池热管理新策略

简介：电池热管理技术是维持电动汽车安全、高效工作的关键技术之一，目前商业化的动力电池热管理技术主要以风冷和液冷为主，通常存在结构复杂、体积大、能耗高等不足。为此，ITEWA创新研究团队首次提出了从环境空气中直接捕获能量实现近零能耗、高能量/功率密度的自适应智能型电池热管理新思路，阐述了基于水蒸汽吸附材料的脱附散热/吸附加热的电子器件热管理机制，筛选并制备了适用于电池热管理的多孔有机金属骨架（MOFs）/泡沫碳高导热复合吸附材料，使用电池质量百分之一的MOFs材料验证了该智能型电池热管理策略用于电池全年候运行时夏季散热、冬季预热的可行性。该研究成果发表在能源化学领域顶级期刊ACS Central Science，并入选当期期刊的封面论文。

Jiaxing Xu^‡, Jingwei Chao^‡, Tingxian Li^‡,*, Taisen Yan, Si Wu, Minqiang Wu, Bingchen Zhao, and Ruzhu Wang*. Near-Zero-Energy Smart Battery Thermal Management Enabled by Sorption Energy Harvesting from Air. ACS Central Science (2020), 6, 1542-1554.

论文链接：https://dx.doi.org/10.1021/acscentsci.0c00570.

9、Journal of Materials Chemistry A：兼具高导热和柔性的定形相变储热材料及热管理应用

简介：低导热系数与液体泄漏问题是长期制约相变材料用于电子器件热管理的两大瓶颈。ITEWA创新研究团队前期工作（Advanced Materials，DOI: 10.1002/adma.201905099）的基础上，分别以成本低廉的石蜡和膨胀石墨为相变材料及导热强化材料，通过引入烯烃嵌段聚合物（OBC），设计制备了兼具柔性、高导热、定形和低成本的石蜡-OBC-膨胀石墨三元复合相变材料。复合材料内部形成聚合物-石墨纳米片双网络，其中聚合物网络由大分子的OBC构成，充当石蜡的支撑材料，同时使得复合材料具有柔韧性；通过对膨胀石墨的压力诱导取向形成石墨纳米片网络导热骨架，不仅最大限度地强化复合材料导热系数，并且起到定形封装的作用。在导热强化方面，当膨胀石墨含量为20wt%时，复合材料热导率可达17 W/mK。将复合材料膜用于电池热管理，可将高倍率工作的电池表面温度降低12 ℃。该复合材料可广泛用于动力电池及其他电子器件的热管理。相关研究成果发表在材料领域著名期刊Journal of Materials Chemistry A。

Si Wu^‡, Tingxian Li^‡,*, Minqiang Wu, Jiaxing Xu, Yihao Hu, Jingwei Chao, Taisen Yan and Ruzhu Wang*. Highly thermally conductive and flexible phase change composites enabled by polymer/graphite nanoplatelet-based dual networks for efficient thermal management. Journal of Materials Chemistry A (2020), 8, 20011-20020.

论文链接：https://doi.org/10.1039/d0ta05904h

ITEWA能源-水-空气创新团队实验室位于上海交通大学闵行校区中意绿色能源实验楼内，该绿色能源实验楼是教育部太阳能发电及制冷工程研究中心的创新研究基地。