近日，上海交大制冷与低温工程研究所王如竹教授和李廷贤研究员领衔的能源-水-空气ITEWA创新团队(Innovative Team for Energy, Water & Air)在能源环境领域期刊Energy & Environmental Science上发表了题目为“Ultrahigh solar-driven atmospheric water production enabled by scalable rapid-cycling water harvester with vertically aligned nanocomposite sorbent”的交叉学科研究论文。论文第一作者是制冷与低温工程研究所博士研究生许嘉兴、李廷贤研究员和博士研究生严泰森，通讯作者是李廷贤研究员和王如竹教授。
文章从吸附材料开发与合成、材料与器件传热传质强化、空气取水装置循环工作策略设计等多个角度对空气取水进行了全面的创新与性能提升，提出了一种垂直阵列的石墨烯水凝胶复合吸附材料(LiCl@rGO-SA)，设计构建了可实现快速连续循环的新型空气取水装置，通过吸附材料和取水装置的创新突破实现了太阳能驱动的超高空气取水量。
图1 垂直阵列石墨烯水凝胶基复合吸附剂(LiCl@rGO-SA)的合成与结构表征
文章采用一维冷冻定向成型和盐负载的方法制备的 LiCl@rGO-SA具备良好的垂直定向孔结构、极大的孔体积和梯级孔径分布。基质材料的高孔体积有助于负载较高比例的盐从而获得高的吸附能力，同时高孔体积赋予吸附材料良好的液态水储存能力和循环稳定性。由于多孔基质的高孔隙率和极高孔体积，采用10%质量浓度的LiCl溶液浸泡制备的LiCl@rGO-SA具有非常高的盐负载量(78wt%)，在15%RH和30%RH的低湿度条件下，实现了高达1.01 g/g和1.52 g/g的吸附量，且材料具备良好的循环工作稳定性。
图2快速循环连续空气取水器的设计与优化
为了解决传统间歇式空气取水器工作过程中吸附阶段不能产水的弊端和单日仅能实现单次吸附-解吸取水循环的局限，文章开发设计了一种采用多吸附床切换式的连续空气取水策略。引入强制对流，一方面强化了水分子从环境传输至吸附剂孔道的传质速率，另一方面带走了吸附剂吸附产生的吸附热，从而促进了吸附剂的吸附速率，同时流经冷凝器翅片带走了水蒸气释放的冷凝热，一举多得实现了空气取水装置的传热传质协同强化。文章构建的半主动式快速循环连续空气取水器可以实现一天8次的吸附-脱附取水循环，室内太阳能模拟工况下取水量达到2120 mLwater/kgsorbent/day，户外低湿度工况的太阳能取水实验表明在超过35°C的高温外界环境中实现了1050 mLwater/kgsorbent/day的取水量。该工作为实现紧凑、便携、规模化的高效空气取水器提供了新思路。
研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目和国家自然科学基金创新研究群体项目的资助。
王如竹教授领衔的ITEWA团队近年来在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Matter、Nano Energy、Energy Storage Materials等期刊上发表了20余篇论文，该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。
