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上海交大ITEWA团队《自然‧通讯》：基于水蒸气吸附诱导能量收集的全天候空气取水和发电

时间：2022-11-12 来源：浏览：

上海交大ITEWA团队《自然‧通讯》：基于水蒸气吸附诱导能量收集的全天候空气取水和发电

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近日，上海交通大学“能源–水-空气”交叉学科创新团队 ITEWA (Innovation Team for Energy, Water & Air) 在吸附式空气取水与发电方面取得进展，通过协同利用水蒸气的吸附热/解吸热、日间的太阳能光-热转换、夜间的黑体辐射致冷，提出了一种基于水蒸气吸附诱导的能量收集策略，通过夜间吸附放热与辐射致冷的协同增强和日间解吸吸热与辐射加热的协同增强提高全天的温差发电性能，实现了全天候高效空气取水和24小时持续温差发电。空气取水与能量收集耦合装置的日间和夜间温差发电功率分别达685 mW/m ² 和21 mW/m ² ，装置的取水量则高达750 g/m ² 。相关成果以 “Simultaneous Atmospheric Water Production and 24-hour Power Generation Enabled by Moisture-induced Energy Harvesting” 为题发表在国际知名期刊《 Nature Communications 》上。

【研究背景】

淡水和电力资源短缺是当前最紧迫的全球性挑战之一。据统计，全球大约有22亿人正遭受饮用水不足的困扰，超过10亿人可能面临电力短缺风险，如何获取安全的饮用水和稳定电力供应仍然是一项全球性挑战。空气中蕴含着大量以水蒸气和小液滴形式存在水资源，其含量约为全球河流总水量的六倍。从空气中捕集水蒸气并转换为液态水的空气取水方法在应对水资源短缺方面表现出巨大潜力。另一方面，为实现太阳能的高效多模态利用，近期，研究人员提出了太阳能协同利用概念，即将太阳能驱动的界面蒸发与温差发电、水伏发电或光伏发电技术相结合实现水-电联产。然而，由于区域资源禀赋条件差异的限制，该技术很难在缺水、干旱或偏远地区进行应用。基于多孔材料的空气取水技术（SWAH）在水蒸气的吸附与解吸过程中伴随着大量热能的吸收与释放，将其与温差发电技术（TEPG）相结合可以克服工作地点与环境的限制，通过对太阳能的梯级利用实现太阳能驱动的水-电联产。此外，辐射致冷技术的引入有希望进一步提高SWAH装置的产水量与发电功率。

【文章简介】

1. 概念设计

文章提出的基于水蒸气吸附诱导能量收集的全天候空气取水和温差发电概念如图1所示。空气取水与温差发电耦合装置（SAWH-TEPG）由双功能涂层、TEPG模块、吸附剂模块和冷凝器组成。在日间，双功能涂层作为光-热转换器件在TEPG模块上表面完成太阳能光-热转换，转换的太阳能通过导热传递至装置中部的吸附剂模块并驱动其进行水蒸气解吸（图1a）。解吸的水蒸气在装置底部的冷凝器表面完成冷凝与淡水收集。期间，TEPG模块顶部热端和底部冷端之间的温差通过自身的塞贝克效应实现热-电转换（图1c）。与传统设计不同，文中装置利用TEPG的余热来驱动SWAH装置进行水蒸气解吸，解吸过程中吸附剂吸收了大量的热量，降低了TEPG模块的冷端温度，从而提高了装置的发电功率（图1e）。

在夜间，装置的SWAH模块暴露在环境中以捕获空气中的水蒸气。顶部的双功能涂层作为红外辐射器件在TEPG模块上表面进行辐射冷却降温（图1b）。相较于传统SAWH装置，文中SAWH-TEPG混合装置吸附过程中释放的吸附热被用作TEPG模块高温侧的热源，顶部的辐射致冷器件作为冷源，辐射致冷侧和吸附侧的温差用于驱动TEPG模块实现温差发电（图1d）。值得注意的是，辐射致冷器件的设置加速了SWAH模块产生的吸附热向环境的逸散，从而降低了吸附剂的温度并加速了其对水蒸气的捕集性能（图1e）。

图1 基于水蒸气吸附诱导能量收集的水-电联产协同利用示意图

2. 材料设计

文中采用金属有机框架材料MIL-101(Cr)作为吸附剂用于空气中的水蒸气吸附。通过原位浸渍的方法，将MIL-101(Cr)涂覆在泡沫铜骨架上制备MIL-101(Cr)@CF复合材料以强化吸附剂的传热、传质特性（图2a）。相比于其他多孔吸附材料，MIL-101(Cr)具有吸水量高、吸附速率快和解吸温度低等优点。测试表明，MIL-101(Cr)的水蒸气吸附量高达1.2 g/g（图2b）。同时，MIL-101(Cr)的水蒸气解吸过程中的解吸热高达2500 kJ/kg（图2c），约为固-液相变材料相变焓值的10倍。与MIL-101(Cr)粉末相比，MIL-101(Cr)@CF复合材料的热导率高达3.54 W/m‧K，提高了约28倍（图2d）。此外，MIL-101(Cr)@CF复合材料在连续的吸附-解吸循环中也表现出优异的循环稳定性（图2e）。为实现SAWH-TEPG装置光-热转换和辐射致冷功能的自由切换，通过在薄铜板上喷涂黑漆的方式制备了低成本的双功能涂层（图2f）。该涂层具有高太阳光吸收率（95%）和高红外发射率（90%）的特性，可有效用于日间光-热转换和夜间辐射冷却。

图2 MIL-101(Cr)@CF复合吸附材料及双功能涂层的制备与表征

3. 概念验证

为验证上述设计，搭建了如图3a所示的实验装置对SAWH-TEPG装置的水蒸气吸附特性及温差发电特性进行室内了模拟测试。随着吸附过程的进行，MIL-101(Cr)@CF复合材料持续从空气中捕获水蒸气，其质量不断增加（图3b）。吸附过程中释放的吸附热使复合材料的温度在初始阶段急剧上升，而后随吸附速率的下降而趋于稳定。与对照装置相比，SAWH-TEPG装置在吸附热和辐射致冷协同作用下TEPG冷/热端的温差Δ T _TE 最大（图3c），三种装置对应的开路电压输出分别为115.8 mV、62.1 mV和20.7 mV（图3d）。与辐射致冷单独驱动的温差发电装置相比，文中SAWH-TEPG装置的吸附加热和辐射冷却协同效应使装置的温差发电输出功率提高了346%。

图3 SAWH-TEPG装置夜间水蒸气吸附与温差发电特性

为评估SAWH-TEPG装置的日间水蒸气解吸和温差发电特性，采用太阳能模拟器对其在不同光照强度下的取水和发电特性进行了模拟（图4a）。如图4b所示，SAWH-TEPG装置底部的吸附剂温度随太阳光照强度的增加而增大，表明太阳光可以在TEPG表面被有效地转化为热能并经导热传递至装置底部驱动吸附剂（MIL-101(Cr)@CF）进行水蒸气的解吸。值得注意的是，由于吸附剂在解吸过程中消耗大量热量，设置有吸附剂的SAWH-TEPG装置底部温度低于未设置吸附剂的对照装置。SAWH-TEPG装置的最大的开路电压则随太阳光强度的增加而增大（图4c）。太阳光照强度为500 W/m ² 、750 W/m ² 和1000 W/m ² 时，装置的最大开路电压分为383.3 mV、553.8 mV和729.4 mV。此外，太阳光强度的增加也加速了吸附剂的水蒸气解吸速率。实验结果表明，SAWH-TEPG装置在1000 W/m ² 的光照强度下单位面积水蒸气解吸速率高达150 g/m ² ‧h（图4d）。

图4 SAWH-TEPG装置日间水蒸气解吸与温差发电特性

4. 户外性能测试

为探究上述设计的实际产水和发电能力搭建了如图5a所示的实验装置，并于上海交通大学中意绿色能源实验室楼顶进行了户外测试。如图5b所示，在夜间，由于吸附剂对水蒸气吸附过程中伴随着大量吸附热的释放，装置中TEPG模块的底部温度升高，并在辐射致冷协同作用下产生最高80 mV的开路电压输出（图5b）。与对照装置相比，SAWH-TEPG装置中吸附加热和辐射冷却的协同效应增大了TEPG的冷/热端的温差，相应的最大输出电压由60 mV提升80mV（图5c）。在日间，SAWH-TEPG装置通过太阳光-热转换和吸附剂的水蒸气解吸冷却协同效应来实现水-电联产。户外测试中，太阳光在装置顶部进行光-热转换并经导热传递至TEPG模块底部驱动MIL-101(Cr)@CF完成水蒸汽的解吸，解吸的水蒸气从TEPG模块中带走热量，从而扩大了热发电的温度差。当太阳光强达到最大值时，装置获得的最大开路电压和对应最大功率输出分别为433.7 mV和685 mW/m ² （图5d）。实验过程中可在冷凝器表面及装置侧壁观察到水蒸气解吸后经扩散和冷凝过程形成的水滴（图5e）。此外，为期一周的户外循环实验表明，SAWH-TEPG装置成功实现了24 h连续的电压输出和稳定的取水量。其中，装置最大开路电压为505 mV，平均取水量为800 g/m ² （图5f, g），通过优选吸附剂类型和优化装置结构可进一步提高装置的水-电联产性能。

图5 SAWH-TEPG装置户外空气取水与温差发电性能

【总结】

文中提出了一种基于水蒸气吸附诱导的能量利用新策略，通过能量的协同利用实现了高效空气取水和24小时连续温差发电：夜间，利用水蒸气吸附加热和黑体辐射致冷的协同效应提高能源装置（SAWH-TEPG）的温差发电驱动温差，发电功率相对传统装置提高了346%，另一方面能源装置的温差发电及时消耗了吸附剂释放的吸附热，降低了吸附剂的温度从而同时加快了从空气中吸附水蒸气的能力；白天，利用太阳能光-热转换辐射加热和水蒸气解吸的协同效应提高温差发电的驱动温差，利用吸附剂的解吸冷却效应降低温差发电的冷端温度，利用发电单元释放的余热加热吸附剂实现空气取水。因此，基于水蒸气吸附诱导的能量利用策略在白天和晚上均实现“一石二鸟”的协同利用，使SAWH-TEPG装置成功实现750 g/m2的高效空气取水以及685 mW/m ² 和21 mW/m ² 的昼夜电功率输出。通过串联或并联多个SAWH和TEPG单元，SAWH-TEPG装置的水-电联产性能可进一步拓展提高。与传统的水-电联产系统相比，提出的水蒸气吸附诱导能量协同利用策略不仅提高了温差发电输出功率和取水性能，更成功实现了24 小时连续电能输出，在一周的连续测试中表现出了很好的稳定性。该工作为解决偏远、干旱和离岛地区的淡水和电力资源短缺问题提供了新的思路。

Tingxian Li, Minqiang Wu, Jiaxing Xu, Ruxue Du, Taisen Yan, Pengfei Wang, Zhaoyuan Bai, Ruzhu Wang & Siqi Wang. Simultaneous atmospheric water production and 24-hour power generation enabled by moisture-induced energy harvesting. Nature Communications , 13, 6771 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34385-4

作者简介

共同第一作者-吴闽强，上海交通大学机械与动力工程学院博士生，师从李廷贤研究员，主要从事相变储热及其热管理、空气取水等方面的研究。目前以第一作者（含共同）在 Nature Communications、Energy Storage Materials、Nano Energy、Small 等国际知名期刊发表SCI论文5篇。

共同第一作者-许嘉兴，上海交通大学机械与动力工程学院博士后，师从李廷贤研究员，全国博士后创新人才计划、中国工程热物理学会“吴仲华优秀研究生奖”、上海交大研究生“十大学术之星”获得者，主要从事吸附式空气取水和热管理方面的研究，以第一作者（含共同）在国际能源化学领域重要期刊 Energy & Environmental Science、Nature Communications (2) 、Angewandte Chemie-International Edition、ACS Central Science 等国际知名期刊发表SCI论文7篇，EI封面论文2篇，授权/公开专利8项。

第一/通讯作者-李廷贤，上海交通大学机械与动力工程学院研究员，国家自然科学基金优青项目获得者，主要从事节能与储能中的工程热物理问题及跨学科交叉研究，涵盖太阳能光热转换及综合利用(制冷/采暖/空气取水)、高密度储热及能质调控(相变储热/热化学储能/吸附热池)、热管理(材料/器件)等方面的研究工作，主持国家重点研发计划项目1项、国家自然科学基金项目5项。近年来通过实施"能源科学-材料科学-化学/化工科学"的多学科、多领域交叉融合，致力于"储能材料-储能器件-储能循环/系统"的基础理论及关键技术研究，以第一/通讯作者在 Nature Communications （2篇）、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Progress in Energy & Combustion Science、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、Matter、ACS Central Science、Nano Energy、Energy Storage Materials、Small 等国际知名期刊上发表系列论文，入选 ACS Central Science 等期刊封面论文6篇，授权发明专利30余项，荣获中国化工学会侯德榜科学技术青年奖、中国制冷学会科学技术青年奖、中国节能协会技术发明二等奖等。

上海交通大学ITEWA交叉学科创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）创建于2018年，该团队在王如竹教授的领衔下致力于解决能源、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 Chemical Society Reviews、Nature Communications、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed 等高水平期刊上发表了系列论文。

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2022-11-11