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東華大學成艷華/張新海 AFM：吸濕性生物基氣凝膠實現(xiàn)高效協(xié)同的大氣集水和被動冷卻
2025-03-24  來源：高分子科技

  大氣集水技術通過從空氣中捕獲水蒸氣并將其轉(zhuǎn)化為液態(tài)水，為解決全球水資源短缺問題提供了一條極具潛力的途徑。目前，吸濕鹽分級孔復合材料、高效吸附MOF基材料、光熱協(xié)同聚合物水凝膠等一系列新型大氣集水材料已相繼問世。然而，如何在緩解淡水資源短缺的同時，協(xié)同提升資源利用效率，仍是一個亟待解決的挑戰(zhàn)。


  針對這一問題，東華大學先進纖維材料國家重點實驗室的成艷華研究員、張新海副研究員及其團隊提出了一種創(chuàng)新方案：利用工業(yè)廢熱（如光伏電池產(chǎn)生的余熱）作為熱源，設計了一種生物基吸濕性氣凝膠，驅(qū)動大氣集水-蒸發(fā)系統(tǒng)協(xié)同運行。該技術不僅顯著提升了廢熱能源的利用效率，還通過蒸發(fā)冷卻機制降低了光伏電池的工作溫度，從而提高了其發(fā)電效率，同時實現(xiàn)了高效的大氣集水。


  研究團隊開發(fā)的吸濕氣凝膠具有獨特的垂直排列通道結(jié)構(gòu)，為水蒸氣的快速吸附和擴散提供了豐富的接觸面和傳輸通道，使其即使在低濕度條件下也能保持高效的吸附性能。此外，通過利用吸附-解吸循環(huán)中的蒸發(fā)冷卻效應，結(jié)合光伏余熱驅(qū)動水分子的釋放，該技術同步實現(xiàn)了光伏板發(fā)電效率的提升和淡水的高效收集，達到了資源利用的雙重增益。


  相關工作以 “Tandem Atmospheric Water Harvesting and Passive Cooling Enabled by Hygroscopic Biopolymer-Based Aerogels” 為題，發(fā)表于《Advanced Functional Materials》。


  研究團隊采用定向冷凍技術，成功構(gòu)建了一種具有垂直排列通道結(jié)構(gòu)的氣凝膠。該氣凝膠由細菌纖維素（BC）、海藻酸鈉（SA）、氧化石墨烯（GO）和氯化鋰（LiCl）組成，通過氫鍵相互作用和離子交聯(lián)形成了穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。這種具有垂直通道的吸濕氣凝膠（BC/SA/GO-LiCl）經(jīng)過系統(tǒng)集成，構(gòu)建出高效的大氣集水系統(tǒng)，其集水能力高達1.8 g·g-1·day-1。進一步與光伏發(fā)電系統(tǒng)集成后，該材料展現(xiàn)出雙重增效機制：一方面能夠從空氣中高效捕獲水分，另一方面利用光伏板產(chǎn)生的廢熱實現(xiàn)被動冷卻，使光伏發(fā)電效率提升了2.9%。這一創(chuàng)新技術為解決水資源短缺和能源高效利用提供了新的思路，尤其在干旱或半干旱地區(qū)具有廣闊的應用前景。通過將廢熱資源與大氣集水技術相結(jié)合，該研究為可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn)貢獻了重要力量。


圖1. 吸濕氣凝膠的設計策略及其在大氣集水與光伏發(fā)電協(xié)同增效中的應用研究


  BC/SA/GO-LiCl氣凝膠結(jié)合了LiCl的強吸濕性與垂直多孔結(jié)構(gòu)的耦合效應，表現(xiàn)出快速的吸附動力學和廣泛的濕度適應性。在30%-90%的相對濕度（RH）范圍內(nèi)，其水吸附容量可達1.4-5.7 g·g-1。即使在低濕度條件（30% RH）下，2小時內(nèi)的吸附量仍高達1.31 g·g-1。在吸附初期，該氣凝膠在不同濕度下均展現(xiàn)出較高的吸附速率，同時具備優(yōu)異的吸附-解吸循環(huán)穩(wěn)定性。與現(xiàn)有吸附劑相比，BC/SA/GO-LiCl氣凝膠在寬濕度范圍內(nèi)的水吸附性能表現(xiàn)突出，具有顯著的競爭優(yōu)勢。


  在太陽能驅(qū)動下，BC/SA/GO-LiCl氣凝膠能夠高效釋放吸附的水分，實現(xiàn)水分的快速收集（如圖2所示）。其光譜吸收特性表現(xiàn)出對太陽輻射的廣泛吸收能力，與BC/SA-LiCl相比，具有更高的太陽能捕獲效率。在不同光照強度下，氣凝膠表面溫度能夠迅速上升并達到穩(wěn)定狀態(tài)，為水分蒸發(fā)提供了充足的熱量支持。隨著光照強度的增加，氣凝膠的質(zhì)量變化顯著，蒸發(fā)速率明顯加快，在60分鐘內(nèi)蒸發(fā)效率最高可達約68%，充分展現(xiàn)了其卓越的太陽能驅(qū)動蒸發(fā)性能。在實際應用中，該氣凝膠在太陽能驅(qū)動下的日產(chǎn)水量高達1.80 g·g-1·day-1，且收集到的水質(zhì)純凈，離子濃度遠低于世界衛(wèi)生組織（WHO）標準，確保了其安全性和可靠性。


圖2. 太陽能驅(qū)動吸濕氣凝膠的水分解吸附特性


  在干旱地區(qū)，高密度部署的太陽能發(fā)電設備在運行過程中會產(chǎn)生大量廢熱，這些廢熱不僅被浪費，還會導致光伏電池溫度升高，從而降低發(fā)電效率。為解決這一問題，研究團隊將BC/SA/GO-LiCl氣凝膠與光伏板系統(tǒng)集成，構(gòu)建了一種大氣集水與光伏被動冷卻耦合的新型系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用光伏板運行過程中產(chǎn)生的廢熱驅(qū)動氣凝膠的熱解吸過程，釋放吸附的水分，同時通過水蒸氣蒸發(fā)實現(xiàn)光伏板的被動冷卻（如圖3所示）。實驗結(jié)果表明，在1 kW·m-2的光照條件下，集成氣凝膠的光伏組件溫度比未集成的光伏板降低了5.8 ℃，蒸發(fā)冷卻功率達到57.7 W·m-2。這一協(xié)同效應使光伏發(fā)電效率提升了2.9%，同時實現(xiàn)了0.033 kg·m-2·h-1的淡水產(chǎn)出率；趯2050年全球光伏裝機容量的預測，該技術有望額外發(fā)電207.6 TWh，并顯著減少燃煤發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳排放量。


圖3. 串聯(lián)大氣集水與光伏發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)大氣水收集-光伏發(fā)電協(xié)同增效


  綜上所述，這項研究為解決水資源短缺和提升能源利用效率提供了創(chuàng)新性解決方案。通過將吸濕性氣凝膠與光伏板廢熱協(xié)同利用，該技術在緩解干旱地區(qū)水資源匱乏和能源供應不足方面展現(xiàn)出巨大潛力。未來，通過持續(xù)優(yōu)化材料性能并拓展應用場景，這一技術有望為全球水資源與能源的協(xié)同可持續(xù)發(fā)展注入強勁動力。


  該工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目（2021YFB3701600）、國家自然科學基金項目（52273031）、東華大學勵志計劃項目（LZA2024001）、中央高；究蒲袠I(yè)務費專項基金項目（2232024Y-01）、東華大學先進纖維材料國家重點實驗室資助。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202423063

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（責任編輯：xu）
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