王如竹教授团队展望太阳能驱动连续式空气取水

近日，制冷与低温工程研究所王如竹教授领衔的“能源-水-空气” 交叉学科创新团队ITEWA(Innovative Team for Energy, Water & Air)在能源环境领域期刊 Energy & Environmental Science发表题为 Sustainable water generation: Grand challenges in continuously atmospheric water harvesting的展望论文。该论文归纳了现有太阳能驱动的吸附式空气取水系统和辐射冷却空气取水系统在材料和系统两方面的发展及存在的技术瓶颈，强调了太阳能驱动连续式空气取水的前景和可能性，展望了连续式空气取水系统的发展方向，以期推动空气取水实现产水效率和产量的跨越。本文第一作者为制冷与低温研究所博士后Primož Poredoš，通讯作者是王如竹教授。

捕捉空气中的水蒸气并形成液态可饮用水——空气取水，已成为缓解水资源挑战的重要途径，尤其是对于干旱地区以及周边没有水资源的地区。通过制冷实现冷表面温度低于空气露点温度的冷凝大气集水往往能耗高，制水效率低。这种情况下利用多孔吸湿材料即使在低湿度下也可以有效吸附空气中的水蒸气，通过太阳能加热可以实现吸附材料的解吸，形成的高分压水蒸汽大大提升了露点温度，可以在常温下实现水蒸汽的冷凝集水。此外利用天空辐射冷却材料可以实现表面温度明显下降，也可以在高湿度下冷凝水蒸气。如何将以上两种技术有机结合，利用大气晚上温度相对较低而相对湿度较高，白天太阳能充足以及超材料存在的太空辐射制冷，去构建全部依赖自然能源禀赋的连续式空气取水系统是未来可持续发展中的一个重要挑战。

论文从材料和系统两个层面重点关注连续式空气取水的未来发展和挑战，给出了解决连续式空气取水未来可能的发展方向。材料层面，作者发现以往的所有吸附材料都存在吸附速率和解吸速率间存在不匹配现象，目前报道的吸附剂中，吸附速率最高仅为解吸速率的1/4，很难满足连续式系统所需的快速吸附解吸特性。因而，提高吸附动力学成为实现连续系统的关键难题之一。本文作者鼓励采用先进材料表征及设计手段辅助改善吸附/解吸动力学，例如单晶XRD、多尺度计算方法、分子动力学模拟和密度泛函理论计算等。此外，作者认为研究与吸附剂相关的新机制也非常重要，即研究水分子、吸附剂和不同能量来源之间的相互作用。对于辐射冷却材料来说，作者认为其性能主要决定于材料的光学性质。目前辐射冷却材料仍然很难日间实现真正的亚环境温度，因而开发反射率>0.99的辐射冷却材料变得非常重要。其次，可以将辐射冷却材料集成在斜面上，使其随方向定向分布，将表面发射指向天顶方向，以增强总体辐射功率。

系统设计方面，对于吸附式取水系统，其设计应着眼于增加系统的紧凑性，并在系统水平上进一步平衡吸附与解吸速率的不匹配。作者分析了现有的分批轮换的连续性取水方式的总取水量和紧凑性的局限，提出通过吸附解吸面积的区别来匹配吸附和解吸动力学，以实现更高的取水量和取水效率，并提出采用各向异性热导率以及定向孔隙结构的材料可以带来额外的质量和能量效率。对于辐射冷却系统的设计，作者认为应该专注于如何将辐射冷却材料提供的冷却能量集中，即在较小的面积实现集中的高冷却功率以实现更低湿度下的冷凝。此外，还应特别注意辐射冷却整体的热管理，通过引入额外的辐射屏蔽层和隔热层，部署额外的遮阳板以屏蔽太阳辐射等方式，可以减少环境热量输入，提高系统的整体冷却性能。

作者提出了连续运行的空气取水的前景展望。首先，吸附材料和辐射冷却材料的性质还远非理想，仍然需要设计具有均衡吸附/解吸动力学的吸附材料以及更高太阳辐射反射率的辐射冷却材料。这两者也可以实现材料水平上的整合，即吸附材料同时具有辐射冷却效果。此外，面向规模化、长期化利用，也需要强调材料的稳定性、环境友好性以及成本效益。其次，需要从工程热物理学科的角度出发关注系统的效率和性能，可以采用局部集中加热与冷却、多级潜热回收等方式实现系统效率以及紧凑性的提高。此外，长期以来空气取水系统中夜间取水被忽略，主要是由于夜间不具备太阳能来驱动光热解吸。因此，可以采用太阳能光伏及电池系统、光伏/光热系统以及吸附储热系统等方式实现能量的高效储存以及夜间利用，从而驱动吸附式空气取水走向全天运行。

该研究工作得到了国家自然科学基金国际青年科学家研究基金、国家自然科学基金创新研究群体项目和上海市农业应用技术发展计划项目的资助。王如竹教授领衔的ITEWA团队近年来在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Matter、Angewandte Chemie、Nature Communication、ACS Central Science 等国际期刊上发表了系列高质量论文，团队致力于解决能源、水、空气交叉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。