上海交大王如竹ITEWA团队提出吸附式空气取水材料设计的热力学理论框架

　　

近日，上海交大机械与动力工程学院王如竹ITEWA创新团队在Nature Reviews Materials上发表题为“Hygroscopic salt-embedded composite materials for sorption-based atmospheric water harvesting”的综述论文，从热力学角度分析了用于空气取水的吸湿盐掺杂复合吸附剂中吸湿性盐、水和盐溶液之间的相互作用关系，建立了吸湿盐类型与含量、孔隙结构和基质承载能力等结构参数与最终材料性能之间的联系，总结性地提出了指导吸附剂吸附量、解吸焓、动力学和稳定性的理论设计框架，为空气取水及相关领域中吸附材料的设计提供统一验证与调控新方法。上海交通大学-新加坡国立大学联授学位博士生山訸为论文第一作者，王如竹教授、新加坡国立大学陈瑞深副教授为通讯作者。

大气中蕴含着约为全球河流总储水量六倍的水蒸气，通过空气取水技术，可以在任何地点和时间获取大量淡水，为解决水资源短缺问题提供了一种可持续方案。吸湿材料（即吸附剂）的吸附潜力决定了从给定环境中捕获水蒸气的能力，是决定吸附式空气取水性能的关键因素。然而，对于大多数已报道的盐掺杂复合吸附材料，合成参数的定性选择以及组分之间不清晰的相互作用，极大影响了材料吸附行为的精准调控及预测。同时，将这些技术与辐射冷却、3D打印等新兴能源技术相结合，也需要精准设计方法为该技术的发展提供更大的想象空间。因此，有必要从热力学角度建立理解盐掺杂复合吸附材料的材料组分与结构和最终性能的联系，实现材料的精准设计和预测。

本文基于吸湿盐-水-盐溶液之间热力学相互作用的分析获得了吸湿盐掺杂复合吸附剂的设计框架。对于吸附量设计，利用吸附反应的水合-潮解-吸收多步反应理论以及蒸气压差平衡理论计算了理论吸附量的大小；对于解吸焓设计，利用解吸的不同热力学状态点计算了全过程的焓值变化并强调了溶液浓缩焓与蒸发焓的差异，指出解吸焓精准设计和环境工况的选择方法；对于吸附动力学设计，将凝胶与非凝胶基质的吸附动力学实现形式统一，分析了影响吸附动力学的结构因素并建立了与最终性能之间的联系，为评判多种材料的吸附动力学提供了理论依据；对于稳定性设计，分析了吸湿盐吸收后的体积膨胀并建立了与基质的承载力的联系，指出了材料设计和制备过程中的合理结构与参数选择方法。本文从能量流角度，分析了吸附过程中的输入冷量和解吸过程中输入热量对整个吸附-解吸的增强过程的作用，指出了提高两个过程的具体方法和相互耦合提高的可能方案。

本文基于基本热力学原理评估了吸湿盐掺杂复合吸附剂的理论吸附量和解吸焓，提出了增强吸附动力学的策略，制定了开发高稳定性、无泄漏材料的指导方针，同时还从能量流的角度提出了改善吸附-解吸的策略。论文为吸附式空气取水领域后续发展指出了材料设计方面的发展和考虑方向，有望为后续材料的精准设计与系统的优化提供思路。

王如竹教授领衔的ITEWA交叉学科创新团队（Innovative Team for Energy，Water & Air）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。团队近5年来在Science、Nature Reviews Materials、Nature Water、Nature Communications、Joule、Energy and Environmental Science、Advanced Materials等国际期刊上发表系列跨学科交叉论文。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41578-024-00721-x

作者：

制冷与低温工程研究所

供稿单位：

机械与动力工程学院