水资源短缺是可持续发展面临的最严重的全球性挑战之一。大气中的水分大约是地球上所有河流中水分的六倍，是一种潜在的水源。得益于水分和亲水性吸附剂之间的相互作用，基于吸附的大气集水(SAWH)显示出独特的适应性和灵活性，可以随时随地从空气中捕获水。考虑到阳光和无处不在的水分，太阳能驱动的SAWH被认为是一种环保的生产水的技术。
从空气中提取水是解决全球水资源短缺挑战的一个有希望的途径。基于吸附的大气水收集(SAWH)具有随时随地从空气中捕获水的能力。然而，低产水量是实现高效SAWH的长期挑战。近日，上海交通大学李廷贤研究员、王如竹教授和美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授等人合作报道了一种简单的策略来合成双向排列和分层结构的纳米复合材料(BHNC)，用于可大规模应用和高效的SAWH。得益于有序分层结构的协同作用，加速了垂直方向的水分对流和径向方向的孔内扩散，BHNC表现出6.61 kgwater kgsorbent−1的超高吸水性和超快的水吸附动力学，优于最先进的吸附剂。通过组装BHNC阵列，作者进一步设计了一个可扩展和高效的太阳能驱动的SAWH原型，展示了快速循环和高产水产量高达2820 mL·kg-1·day-1。
这项工作为弥合材料和设备之间的差距提供了新的见解，以实现可大规模应用、节能的、全天候的太阳能空气集水，堪称“可大规模实际应用的黑科技”。这项工作以“Scalable and efficient solar-driven atmospheric water harvesting enabled by bidirectionally aligned and hierarchically structured nanocomposites”为题发表在国际顶级期刊《Nature Water》上。祝贺！
图1. 具有优越的水输送动力学的填料吸附剂的概念设计
在过去的十年中，人们在开发新型吸附剂方面付出了大量的努力，但对SAWH器件的热设计却很少关注。尽管先进的吸附剂具有优异的吸附性能，但由于填料的传热和传质不良，SAWH设备的水生产率相对较低，阻碍了它们的实际应用。迫切需要在材料和设备层面对SAWH系统进行全面创新。高性能水处理的关键问题是寻找具有高吸水能力的优质水处理吸附剂、具有优异传热传质性能的可扩展水处理设备以及具有高能效的节能水处理系统。
本文揭示了填料结构-性能关系的本质，并讨论了不同结构对吸附/解吸动力学的影响。受理论分析的启发，作者报道了一种用于大气集水的双向排列和分层结构纳米复合材料(BHNC)的新策略。得益于垂直方向的水分对流和径向方向的孔内扩散的协同作用，合成的BHNC具有6.61 kgwater kgsorbent−1的超高吸水率和超快的吸水动力学。
此外，作者设计了一个可扩展的、高效的太阳能驱动的SAWH原型，并提出了一种节能策略，以实现具有协同效应的节能SWAH:同时降低冷凝水的冷却温度和降低水的解吸能耗。精心设计的太阳能驱动SAWH设备可实现高达2820 mL·kg-1·day-1水吸附剂的高产水产量。我们的工作为弥合SAWH材料与可扩展，节能和高产大气集水设备之间的差距提供了新的见解。
填充吸附剂内部的水蒸气输送直接影响水捕获和释放的动力学(图1a)。通常，吸附动力学由多步水输运过程决定，经历表面阻力、扩散阻力和反应阻力 (图1b)。吸附/解吸动力学严重恶化是各种大型填料吸附剂的共同瓶颈，其主要原因是水蒸气输送的扩散阻力增大。为了解决共同的挑战，作者系统地讨论了在包装结构的形态演化过程中运输阻力的变化(图1c)。
提高孔隙率是降低扩散阻力的可行方法，而高孔隙率必然会导致器件中填充吸附剂的减少。在优化填充吸附剂的孔隙度时，在吸附/解吸动力学和吸水率之间仍然存在权衡。因此，降低扩散阻力的研究重点是调节扩散深度和弯曲系数。
图5. 采用BHNC阵列的可扩展和高效太阳能驱动的SAWH原型演示
作者最终设计了一个可扩展的太阳能驱动的SAWH原型，通过组装24个BHNC模块串联和并联阵列(图5a)。该原型机主要由一个太阳能空气收集器、一个热回收换热器、一个风冷冷凝器和6个BHNC机组组成，其中包括24个BHNC模块(图5c)。并综合考虑了水暖系统从材料、装置、循环等方面的优化设计，实现了高效节能、高产空气集水。
作者还通过理论计算系统地分析了不同SAWH系统的能量平衡。为了实现高热效率的节能SAWH，作者提出了一种节能策略，即在纳米复合材料到冷凝器的热空气和从冷凝器到太阳能集热器的热空气之间进行热回收。该节能策略具有降低冷凝器冷负荷的同时降低太阳能集热器热负荷的协同效应。得益于节能设计，与传统系统相比，带热回收的SAWH系统的热效率可提高2-4倍，表明热回收在实现节能大气集水方面是有效的。
综上所述，作者分析并揭示了大气集水填料结构-性能关系的本质。为了加速水的输送和改善吸附/解吸动力学，作者进一步设计了双向结构的填充吸附剂，具有短扩散深度和低弯曲度。受理论分析的启发，作者报道了一种简单的策略来合成双向排列和分层结构的纳米复合材料(BHNC)，用于可扩展和高效的从空气中收集水。合成的BHNC通过采用多步水吸附过程和引入垂直方向的水分对流和径向方向的孔内扩散的超快水吸附/解吸动力学，表现出高达6.61 kgwater kabsorbent−1的超高吸水性，优于最先进的吸附剂。
本文的策略实现了可扩展的吸附剂，具有有序的层次结构和热传递和质量传递的协同增强，以加速水的吸附/解吸动力学。作者设计并演示了一个快速循环太阳能驱动的SAWH原型，通过组装BHNC块阵列和热回收。该样机实现了多次水捕获-收集循环，高产水产量为2,000-2,820 mL·kg-1·day-1。作者的策略是双向对齐纳米复合材料，具有快速吸附动力学，具有增强传热和质量传递的快速循环可扩展的SAWH设备，以及具有热回收循环的节能SAWH系统，为下一代大气水收集材料，设备和系统的开发提供了新的见解。
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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