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上海交大王如竹ITEWA团队ACS Energy Letters：揭示聚两性离子吸湿凝胶从空气取热与取水潜力

时间：2023-12-03 来源：浏览：

上海交大王如竹ITEWA团队ACS Energy Letters：揭示聚两性离子吸湿凝胶从空气取热与取水潜力

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近日，上海交通大学王如竹教授领导的“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA在国际著名期刊《ACS Energy Letters》上发表了题为“Harvesting Thermal Energy and Freshwater from Air through Sorption Thermal Battery Enabled by Polyzwitterionic Gel”的研究论文。该团队通过结合亲水性聚合物和两性离子聚合物，开发了具有高稳定性和可控的盐溶液保留能力的新型吸湿凝胶，并利用该凝胶开发了取水和储热功能集成器件，验证了从空气中高效地取热与取水的潜力。该研究由上海交通大学制冷与低温工程研究所博士研究生山訸担任第一作者，王如竹教授为通讯作者。

【研究背景】

这项研究聚焦于解决能源和水资源的全球性短缺问题。从能源利用角度来说，储存可再生能源和非高峰电力可以提高能源效率，并缓解可持续能源供需之间的不匹配问题。从水资源短缺问题来说，大气中蕴含的水蒸气是非传统水资源中具有重要潜力的部分，捕捉这部分水资源有望实现随时随地的淡水生产。空气中水蒸气的吸附-解吸循环可以实现两者结合，利用吸附过程实现对大气水分的存储与吸附热的释放，而解吸过程则实现水分的释放与能量的储存，进而构建出从空气中获取与储存热能和淡水的有效途径。

【内容介绍】

图1. 关键的技术突破在于吸附材料的开发。研究团队对氯化锂掺杂的聚两性离子-亲水凝胶进行了热力学行为分析，指导了聚合物凝胶的设计和调控，提出了具有高容量和稳定的溶液保留能力的吸湿凝胶。图1展示了LiCl组分的蒸汽压–吸附量–温度图。由LiCl溶液浓度线、结晶线及其对应的温度与蒸汽压，以及所对应理论吸附量得出，展示了吸附-解吸的取水和储能过程中吸湿盐LiCl在凝胶基质中的状态。典型的开放式吸附储热-取水过程中，LiCl的状态从由状态D到状态A（脱附）和状态A到状态D（吸附）的转变来体现。

图2. 展示了聚两性离子凝胶P(SBMA-co-AM)-Li的合成与表征。a) P(SBMA-co-AM)-Li合成过程的示意图。b) PAM、PSBMA和P(SBMA-co-AM)凝胶基质在去离子水和LiCl溶液中的溶胀度。c) 高分辨率N 1s XPS光谱表示了两性离子基团在合成中的峰值位置和强度变化的信息，证实聚合物链中盐的状态。d) FTIR光谱展示了与盐离子配位时两性离子基团的显著峰值位移。e) XRD图谱揭示了P(PSBMA-co-AM)凝胶基质的无定形峰，以及吸湿凝胶吸附剂P(SBMA-co-AM)-Li中LiCl和LiCl·H ₂ O晶体峰。

图3. P(SBMA-co-AM)-Li的水蒸气吸附–解吸性能。a) 在80% RH下吸附和在60 °C下脱附过程中，凝胶吸附剂的TG-DSC测试获得的热流曲线。b) P(SBMA-co-AM)-Li吸附剂与先前报道的PCMs、吸附剂和含盐吸附剂的能量密度比较。c) 在25°C和60 °C下的水吸附等温线。d) P(SBMA-co-AM)-Li吸附剂与先前报道的MOFs、凝胶和复合凝胶的吸附容量比较。e) DVS曲线显示动态水吸附–脱附过程。f) 在30% RH下，毫克级样品的导数吸附量变化。最终，这种吸湿凝胶在20%至85%的相对湿度范围内表现出1.07 g/g至5.82 g/g的显著吸附量，并在80% 相对湿度下表现出9948 kJ/kg的吸附储热能量密度。

图4. 设备及实现双功能热能存储与空气取水的效果。a) 用于热能释放、热能存储与空气取水的设备流程示意图及三种工作路径。b) 实验室规模演示设备的示意图。c) 不同流速下器件实现热能释放过程（路径I）中的湿度变化，以及d) 相应的输出温度变化。e) 在61°C输入温度下，热存储路径（路径II）的温度和相对湿度变化。f) 在空气取水路径（路径III）下的温度和相对湿度变化。g) 水生产、峰值功率密度和能量密度的效果。最终，通过利用这种凝胶材料，构建了储热、放热、取水三种循环路径的集成方法，实现了7779.6 kJ/kg的能量密度、1.7 kW/kg的峰值功率密度和0.97 kg/kg的水生产率，有效地实现了热能的收集和存储。

此项研究展示了通过水蒸气的吸附和解吸，同时实现热能存储和水资源获取的可能性。未来的研究方向可以专注于系统组件的设计优化，旨在实现更灵活、稳定的热能输出温度控制和更大规模淡水生产，为该技术不同领域的实际应用创造条件。

《ACS Energy Letters》专注于发布能源、材料领域高质量研究论文，该期刊在Web of Science的多个分类，包括物理化学、能源与燃料、多学科交叉材料科学和纳米科学与纳米技术中，均跻身前十名。

王如竹教授领衔的ITEWA（Innovation Team for Energy, Water & Air）交叉学科创新团队致力于解决能源、水、空气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。近年来在Science、Nature Reviews Materials、Joule、Energy and Environmental Sciences、Nature Water、Nature Communications、Advanced Materials、ACS Energy Letters等国际期刊上发表系列跨学科交叉论文。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.3c01836

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