上海交大ITEWA团队：一种用于空气取水的超吸湿材料的仿生拓扑设计

【论文背景】

随着淡水资源与人口激增的矛盾日渐激烈，水资源短缺已经成为人类面临的严重危机。一种广泛适用、轻便节能的取水技术——基于吸附技术的太阳能驱动式空气取水，逐渐成为国内外学者研究的热点。作为空气取水系统的关键部件之一，吸附剂材料也历经了一代又一代的开发、优化和更替。传统的硅胶、沸石等价格低廉但吸附性能较差；普通填盐的复合吸附剂吸湿性能可观但吸附动力学缓慢；新型的MOF、COF以及水凝胶材料具有优越的静态、动态吸附性能，但其高成本、高能耗、高污染及无法量产等缺陷限制了其实际应用。为了突破这一瓶颈，我们需要开发出高性能、低成本、可量产的可持续发展吸附剂材料，从而实现空气取水技术在缺水地区的实际发展和落地。

【内容简介】

近日，上海交通大学王如竹教授领衔的能源-空气-水ITEWA创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）在能源材料领域高水平期刊Nano Energy上发表了题目为“Bioinspired Topological Design of Super Hygroscopic Complex for Cost-effective Atmospheric Water Harvesting”的研究性论文。该论文以具有天然三级孔道结构的丝瓜络骨架作为基质，通过接枝含吸湿盐的海藻酸钙凝胶、加载含碳纳米球的商用碳素墨水，开发了一种具有高效光热性能、突出的静态和动态吸附性能的复合吸附剂（ILCA）。通过实验室工况和户外实地测试，验证了材料在宽范围（干旱、半干旱、湿润）地区的广泛适用性（RH 20-80%：0.5-2.5 g g^-1）。通过进一步的技术经济分析，发现单次循环制取1kg水的材料成本仅为0.84$(历史最低)。这一结果为空气取水技术的实际发展提供了可能，可用于解决欠发达起区的水资源短缺问题。

图1. ILCA用于空气取水的概念图

【内容介绍】

水资源短缺和人口增加的矛盾日益严峻，发展高效节能、实用安全的取水技术势在必行。针对这一问题，科学家们提出了一系列有效的措施来捕获和提取地球上有限的淡水资源，如海水淡化、污水回收、雾捕集、露水收集、吸附式空气取水等。受地缘、气候等因素限制，吸附式空气取水技术因其不依赖于水源、可利用低品位能源、轻便洁净等优点，引起了国内外学术界的广泛关注。

一系列适用于不同应用场景的新型吸附剂材料应运而生。MOF、COF、水凝胶等新型吸附剂具有良好的吸附性能，但由于其高成本、高污染、高能耗和复杂的制备工艺等，空气取水的实际应用受到了限制。因此，在该领域，亟待开发出一种兼顾性能、成本、可持续发展的新型吸附剂材料，来解决空气取水的实用瓶颈。

因此，本文的重要内容，在于开发一种满足上述多重优势的吸附剂材料，并通过实验室测试和户外取水实验，验证该吸附剂优越的吸附-解吸性能和整体系统的取水潜力。进一步地，通过与已有文献对比，对该吸附剂进行技术经济性分析，凸显该材料在性能、成本、节能等多方面的综合优势。取水实验表明，该吸附剂能够为欠发达的干旱地区提供清洁的饮用水。

【核心内容】

1.具有仿生拓扑结构的超吸湿复合材料（ILCA）的设计、合成与表征

图2. ILCA的制备流程图

在ILCA中，成本低廉、环保友好的天然丝瓜络作为分级多孔骨架，无毒无污染且具有超吸湿性的CaCl₂作为吸湿因子，可降解的海藻酸钙凝胶作为吸湿盐的外层包裹，具有优良光热特性的商用碳素墨水作为吸光材料，共同组成了兼具成本、性能、可持续发展等多重优势的吸附剂材料。通过一系列的控制变量试验，优选出25 wt.% CaCl2溶液、2 wt.%海藻酸钠(SA)溶液和SA与碳墨水的比例为10:1的高性能ILCA。在该配比下，ILCA不仅具有最佳的吸附-解吸效果和优异的光热转换特性，而且可以避免潮解和渗漏的发生。

通过SEM、EDS分析，展示了ILCA中各组分的具体分布情况。通过FTIR、XRD和TGA分析，探究了ILCA中各组分之间的相互作用，以及吸附剂材料的物理和化学稳定性。另外，ILCA的工作过程如下：(1)吸附过程：分散在丝瓜络多孔骨架中的CaCl₂颗粒负责从大气中捕捉水分，从而形成盐溶液储存在基质中，直至饱和。(2)解吸过程：当暴露在太阳光下时，ILCA表明的碳纳米球吸光使材料大幅升温，材料表明的水蒸气分压降低，在湿度梯度的驱动下水分子汽化逸散。(3)冷凝过程：在密闭空间中，逸散的水蒸气在温度较低的壁面冷凝，进而收集得到冷凝水。

2.超吸湿材料ILCA的吸附-解吸性能

图3. ILCA的吸附-解吸性能

丝瓜络的天然分级多孔结构赋予了ILCA极好的传质扩散能力，附着在丝瓜络纤维表明的碳纳米球使其呈现复杂的纳米级表面结构。这二者同时在宏观和微观层面扩大了湿空气与吸湿因子的接触面积，增大了水蒸气分子与吸湿因子的碰撞接触概率。从而使ILCA拥有良好的平衡吸附性能和快速的吸附动力学特性。不同工况下STA内的吸附-解吸实验，以及恒温恒湿箱内变工况与其他吸附剂的对比实验，综合凸显了ILCA作为空气取水用吸附剂的性能优势。在RH20%-80%，ILCA在4h内可实现0.5-2.5 g g^-1的取水量，其吸附性能是普通物理及复合吸附剂的1.58-8.55倍。

黑色的碳纳米球赋予了ILCA非常强的吸光特性，而多孔骨架结构、纤维表明的粗糙纳米结构可以使太阳光在材料表面和内部进行多次反射和散射，从而捕获更多的光子。相应地，ILCA就能够实现非常高的光热转换效率和解吸效率。实验证明，在1 kW m^-2的光照强度下，样品可实现1.5 kg m^-2 h^-1的解吸速率；在不同的光照强度下(0.6-1.6倍的标准太阳强度)，ILCA均呈现非常可观的解吸性能，这侧面反映了该材料的广泛适用性。

3.超吸湿材料ILCA的取水实验

图4. ILCA的空气取水实验

为了进一步研究ILCA的应用潜力，本文分别在模拟实验室和实际户外条件进行了ILCA的整体取水实验。在模拟光源下对RH80%下饱和的样品进行了5h的解吸实验，4.96g的ILCA材料得到了6.197g的冷凝水。在户外干冷天气下（6-15 °C, RH60-80%, 含湿量5 g kg^-1与干旱地区类似 ），1 kg吸附剂材料可取190g的洁净水。根据以上实验，可以证明，使用ILCA作为吸附剂所搭建的简单取水装置，具有优越的实际空气取水潜力。

4.技术经济性分析

地球上的水资源匮乏地区主要是偏远的欠发达气度。针对空气取水解决实际的缺水问题，很有必要对吸附剂材料的综合性能进行定性分析和比较。本文以材料成本、制备难度、取水性能和环境污染程度作为四个评价指标，将ILCA与以往发表文献中的典型优越吸附剂进行综合比较。结果显示，ILCA采用的天然丝瓜络、海藻酸钠、碳素墨水等低价环保的原材料，使其在成本和环保方面更具优势。通过简单的浸渍-交联-再浸渍手段，避免了冻干、静电纺丝、高温碳化等复杂制备工艺，使其在制备手段上更易于规模化生产。不同工况下材料吸附、解吸和取水性能的横向对比，也能反映ILCA在宽工况范围的优越性能。与其他优越的吸附剂材料综合比较，ILCA的优势更为显著。

图5. ILCA的技术经济性分析

【总结】

基于吸附的空气取水技术旨在解决缺水地区的饮用水问题，对于干旱地区、离网地区和紧急灾害地区尤为适用。为了解决空气取水技术在吸附剂方面的瓶颈问题，上海交通大学ITEWA团队通过对吸附材料需求条件（性能，成本，能耗，扩展性等）出发，采用便宜易得、环保友好、且性能优越的天然材料，通过巧妙的结构设计，开发了一种兼具优良静、动态吸附性能、低成本、低能耗的超吸湿复合物。通过一系列实验验证和理论分析，证实了该吸附剂材料在空气取水领域的巨大潜力。

作者简介：

第一作者-邓芳芳

上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生，师从王如竹教授，本科毕业于华中科技大学能源与动力工程学院。主要从事吸附式空气取水，太阳能热利用等方面的研究。

合作作者-王晨曦

上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生，师从王如竹教授。主要从事吸附式空气取水，温室设施热湿环境调节等方面的研究。研究成果发表在Joule等期刊上

合作作者-香承杰

上海交通大学机械与动力工程学院博士后，师从王如竹教授。主要从事基于吸附的空气水收集、电子设备高效热管理等方面的研究。曾获2020年重庆市优秀博士学位论文奖。主持国家自然科学基金项目一项。研究成果发表于Nano Energy、JPCC等期刊。

通讯作者-王如竹

上海交通大学机械与动力工程学院讲席教授，制冷与低温工程研究所所长。国家基金委创新群体负责人。荣获国际制冷 J&E Hall 金牌、国际热科学 Nukiyama Memorial Award纪念奖、亚洲制冷学术奖、国际制冷最高学术奖Gustav Lorentzen Medal、国际能源署Rittinger International Heat Pump Award、国际吸收吸附热泵大会Georg Alefeld Memorial Award。曾获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖、国家教学成果二等奖等奖励。

上海交大ITEWA交叉学科创新团队（Innovative Team for Energy, Water& Air）：王如竹教授于2018年创建，致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Angewandte Chemie-International Edition、ACS Central Science、ACS Energy Letters、Energy Storage Materials、 ACS Materials Letters、Advanced Functional Materials、Nano Energy 等国际跨学科交叉高水平期刊上发表系列论文。 

原文链接：

Fangfang Deng , Chenxi Wang , Chengjie Xiang , Ruzhu Wang *. Bioinspired topological design of super hygroscopic complex for cost-effective atmospheric water harvesting, Nano Energy 90 (2021) 106642.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106642