近日，上海交通大學機械與動力工程學院王如竹教授領銜的“能源-水-空氣”交叉學科創新團隊ITEWA與得克薩斯大學團隊合作，在Nature Water期刊發表了題為“Scalable and Efficient Solar-driven Atmospheric Water Harvesting Enabled by Bidirectionally Aligned and Hierarchically Structured Nanocomposites”的研究論文。論文開展了吸附式空氣取水“材料-單元-裝置-系統”的多層級基礎理論和實驗研究，為吸附式空氣取水的跨尺度熱質有序傳輸和高效節能熱力循環提供了新思路。上海交大機械與動力工程學院制冷與低溫工程研究所博士生嚴泰森、王鵬飛和李廷賢研究員為論文第一作者，李廷賢研究員、王如竹教授和德克薩斯大學余桂華教授為通訊作者。

水蒸氣傳輸過程和吸附材料結構設計新思路

　　空氣取水技術是緩解淡水資源短缺的有效途徑。近年來，太陽能驅動的吸附式空氣取水技術因其高適應性和低成本等優勢得到廣泛關注，有望在任何時間和地點生產滿足安全標準的可飲用水。然而，盡管報道的吸附材料在粉末或小顆粒測試中展現出較高的吸附性能，當規模化應用于空氣取水裝置時，由于材料隨機堆積導致熱質無序傳輸，不可避免地造成取水性能的大幅衰減，成為制約規模化吸附式空氣取水發展的共性瓶頸難題，亟需探究吸附材料堆積結構對吸附-解吸過程中傳熱傳質性能的影響機制，指導新型吸附材料的結構設計和空氣取水“材料-單元-裝置-系統”的多層級跨尺度熱設計。

雙定向分級多孔結構吸附材料的制備及規模化空氣取水性能。(a) 雙溫度梯度誘導冰晶生長合成雙定向分級多孔結構吸附材料的制備方法 (b) 基于雙定向分級多孔結構吸附材料組裝整列的規模化空氣取水裝置示意圖 (c)不同相對濕度工況下空氣取水性能比較

　　研究團隊提出了構建跨尺度熱質有序傳輸結構提高空氣取水吸附-解吸動力學的學術思路，在理論層面，闡明了吸附材料堆積結構與熱質傳輸性能的構效關系和影響因素，明晰了材料內部的擴散阻力是影響吸附-解吸過程性能惡化的主要原因；材料層面，首創了雙溫度梯度誘導冰晶生長合成雙定向分級多孔結構吸附材料的熱設計方法，實現了兼具低擴散深度和低曲折因子的吸附材料的優化制備；裝置層面，提出了規模化空氣取水裝置的模塊化組裝熱設計方法，采用雙定向分級多孔結構吸附單元進行串/并聯有序組裝實現了空氣取水裝置的構建；系統層面，提出了具有普適性的主動式空氣取水系統的回熱新循環，實現了冷凝器冷負荷和集熱器熱負荷的協同降低。研究設計并搭建了規模化回熱型連續式空氣取水實驗裝置，實現了全天候寬濕度工況下的太陽能驅動高效空氣取水，材料吸附量高達6.61 kgwater·kgsorbent-1，裝置單日取水量高達2820 mL·kg-1·day-1。該工作闡明了材料結構設計對空氣取水的重要意義，為實現規模化高效吸附式空氣取水提供了新思路。

　　王如竹教授領銜的ITEWA（Innovation Team for Energy, Water & Air）交叉學科創新團隊致力于解決能源、水、空氣領域的前沿基礎性科學問題和關鍵技術，旨在通過學科交叉實現材料-器件-系統層面的整體解決方案，推動相關領域取得突破性進展。近年來在Science、Nature Reviews Materials、Nature Energy、Nature Water、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Joule等國際期刊上發表系列跨學科交叉論文。