近日，上海交通大学王如竹教授领衔的“能源-水-空气” 交叉学科创新团队ITEWA(Innovative Team for Energy, Water & Air)与新加坡国立大学Tan Swee Ching教授合作在Advanced Materials期刊发表名为All-day Multicyclic Atmospheric Water Harvesting Enabled by Polyelectrolyte Hydrogel with Hybrid Desorption Mode的研究论文。论文开发了新一代聚电解质凝胶复合吸附剂实现快速的吸附特性，并结合余热及太阳能混合解吸策略实现快速水释放。为了尽可能快速的吸附-解吸循环特性，优化了系统内传热传质特征以及全天循环策略，实现了取水量的倍增以及全天候的空气取水，为下一代空气取水材料开发、系统优化提供新的见解。论文的作者为上海交通大学制冷与低温研究所、新加坡国立大学材料系联合培养博士生山訸，通讯作者为王如竹教授和Tan Swee Ching教授。

【研究亮点】

图：凝胶吸附剂的合成以及对自由态盐和配位盐的表征分析

  水凝胶复合吸附表面的吸湿盐首先捕获水蒸气并发生原位液化，之后，液态水通过渗透压差转移到聚合物网络内部，并由于其独特的膨胀特性而被储存。表面吸湿部位被重新暴露以供随后的吸附。因此，由渗透压驱动的水的迁移及其随后由膨胀引起的滞留是区分水凝胶型吸附剂与其他吸附剂的决定性特征。水凝胶的溶胀特性和内部渗透特性有利于增强水的储存和迁移，从而显著影响材料的吸附能力和动力学。因此，采用聚电解质水凝胶的强渗透压作用，可以实现高内部渗透压，并在吸附过程中产生大的压力梯度，进而促进被吸附的水分子快速运输到水凝胶内部，并刷新表面水吸附位点，实现吸附速率的提高。此外，聚电解质水凝胶中带电荷的聚合物链可以限制带相反电荷的吸湿离子，形成配位盐，这有望限制盐的迁移率，控制溶液的泄漏。因此，独特的具有高内渗透压的聚电解质水凝胶可以改善水的运输和储存性能，防止溶液泄漏，最终获得快速、稳定的吸附特性。

图：混合解吸模式的策略、解吸性能评价及其传热传质解释

图：太阳能驱动、余热驱动、热流体驱动以及混合解吸策略的比较

  从传热传质的角度来解释，因为太阳界面加热通过非接触辐射向水凝胶表面提供热能，受太阳强度和光热转换效率的限制，其热流密度固定且有限。相比之下，底部余热为水凝胶下部提供了一个恒温边界，可以是太阳能加热功率的数倍，不受光热转换效率的限制。因此，与太阳通量恒定的条件相比，底部恒温加热条件导致水凝胶内部温度快速平衡，内部水蒸气浓度梯度更高，最终导致余热驱动模式的水释放能力更快。

  对于混合加热方式，水凝胶吸附剂通过耦合的能量源从顶部和底部同时加热。在混合解吸模式下，水凝胶的上表面温度在较短的时间内(约10 min)达到75℃。这说明换热特性主要受SWH源提供的恒温边界条件控制。此外，采用混合解吸方式，内部温度分布较为均匀，温差小于1℃。水凝胶中较高的平均温度和更均匀的温度分布都有利于水凝胶内部的水汽输送，导致比前两种模式更快的解吸速率和解吸程度。

图：系统吸附-解吸循环策略的模型优化

图：混合解吸策略装置开发以及实验验证

  全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202302038

作者简介

第一作者 – 山訸 上海交通大学、新加坡国立大学博士生，导师王如竹教授，合作导师Tan Swee Ching助理教授。研究方向为复合吸附材料用于空气-能源-水等交叉学科研究，重点关注吸湿凝胶的材料开发以及空气取水器件循环策略的优化。

通讯作者 - 王如竹教授从事制冷、热泵与热调控研究，主持的成果获国家自然科学二等奖和国家技术发明二等奖，何梁何利基金科学与技术创新奖；作为首位中国学者荣获国际能源署热泵大奖、国际制冷学会最高学术奖Gustav Lorentzen奖章等5项重要国际学术奖项。他领衔的能源-水-空气创新团队（ITEWA）长期致力于解决能源、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。团队近5年来在Science, Nature Communications, Joule, EES, Advanced Materials等高水平期刊上发表40余篇学科交叉论文。

通讯作者 - 陈瑞深（Tan Swee Ching）博士于剑桥大学获得电气工程博士学位，随后于麻省理工学院材料科学与工程系进行博士后研究，现为新加坡国立大学材料科学与工程系助理教授。他曾于惠普公司担任激光加工与设备工程师，帮助公司降低至少40万美元的年运营成本，并将其所在部门的产能提高 35%，并被惠普公司授予杰出成就奖。他同时也是专注于超吸湿材料的Ultra Dry公司的创始人。陈瑞深博士已在 Nature Electronics、Nature Sustainability、Joule, EES、Advanced Materials、Nature Comm、Science Advances 等国际顶级期刊上发表了众多优秀论文。