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上海交大王如竹ITEWA团队联合中山大学张杰鹏团队：多批次MOF空气取水实现MOF取水能力的显著递增

时间：2023-11-21 来源：浏览：

上海交大王如竹ITEWA团队联合中山大学张杰鹏团队：多批次MOF空气取水实现MOF取水能力的显著递增

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近日，上海交通大学王如竹教授所领导的ITEWA团队联合中山大学张杰鹏教授团队在国际物理学顶刊Applied Physics Reviews（《应用物理评论》）上发表了题为“Modular all-day continuous thermal-driven atmospheric water harvester with rotating adsorption strategy” 的研究论文，报道了一整套“器件-运行策略-装置”的综合技术方案。该工作提出了一种匹配了MOF吸附模块吸附特性的“旋转”运行策略以及配套的演示装置，实现了低品位余热（例如废热、太阳能等）驱动的连续空气取水。该工作获得审稿人及编辑团队高度评价并被甄选为期刊亮点论文（Featured article），同时该工作被美国物理学联合会主办的《科学之光》（Scilight）杂志以“Modular water harvester ensures continuous water production for arid regions”为题进行了专访报道。报道中称该工作有望为居住在干旱地区的人们带来随时随地用水的新解决方案。上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生邵昭与中山大学博士生王志烁为论文第一作者，上海交通大学王如竹教授为通讯作者，中山大学张杰鹏教授、周东东副教授为共同通讯作者。

【研究背景】

联合国将享有安全和清洁饮水和卫生设施的权利作为一项人权列入可持续发展的目标。然而由于工业化的进程与全球性的气候变化，目前全球仍有超过四十亿人面临着严峻的饮水危机。另一方面，大气中蕴藏着极为丰富的水蒸气，水含量大约相当于地球表面河流总量的6倍，因此如何大量且高效的提取出空气中的水蒸气并将其以液态水的方式收集成为了一个前沿问题。基于吸附式空气取水技术借助吸附剂实现低湿度下的水蒸气吸附以及低品位热源（如废热、太阳能）的脱附，最终可以实现将大气中丰富的水蒸气转化为可直接饮用的液态水。虽然目前已有的研究初步展现了空气取水技术的可行性，然而目前研究中的运行策略普遍为基于太阳能光热驱动的单日单次的运行模式，这一模式没有充分利用MOF材料所具有的快速吸附动力学特性，造成了吸附剂性能浪费与成本的上升。同时这一运行模式也不符合“随时随地连续取水”的终极目标。

【工作介绍】

近日，上海交通大学王如竹教授所领导的ITEWA团队联合中山大学张杰鹏教授团队提出了一种匹配了MOF吸附模块吸附特性的“旋转”运行策略以及配套的演示装置，实现了低品位余热（例如废热、太阳能等）驱动的连续空气取水，报道了一整套“器件-运行策略-装置”的综合技术方案。该工作发表在国际物理学顶刊Applied Physics Reviews（《应用物理评论》）上发表了题为“Modular all-day continuous thermal-driven atmospheric water harvester with rotating adsorption strategy” 的研究论文并获得审稿人及编辑团队高度评价被甄选为期刊亮点论文（Featured article），同时该工作被美国物理学联合会主办的《科学之光》（Scilight）杂志以“Modular water harvester ensures continuous water production for arid regions”为题进行了专访报道。报道中称该工作有望为居住在干旱地区的人们带来随时随地用水的新解决方案。上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生邵昭与中山大学博士生王志烁为论文第一作者，上海交通大学王如竹教授为通讯作者，中山大学张杰鹏教授、周东东副教授为共同通讯作者。

【内容表述】

1. 吸附剂筛选与运行策略

研究人员提出了基于吸附-脱附动力学的优化后的运行策略以及配套纯被动冷却的示范装置。首先在材料层面，通过对以喀布尔、喀土穆、兰州为代表的干旱半干旱城市气候特点的分析，研究团队经过筛选，最终选择MOF材料Ni ₂ Cl ₂ (BTDD)作为演示所使用的吸附剂。其一维孔道具有丰富且亲水的开放金属位点，优异的水稳定性和水吸附性能使其从众多MOF材料中脱颖而出。同时该吸附剂可在低湿度下保持较大的水蒸气吸附量，同时具有极小的回滞特性，十分有利于空气取水应用场景的需要。通过对夜间和日间工况下的性能对比，研究人员提出如果采用全天运行的运行方式可以有效利用夜间高相对湿度的环境从而获得更高的产水量。

图1 Ni ₂ Cl ₂ (BTDD) 表征以及在夜间和日间工况下的性能对比

2. 模块化MOF吸附剂封装方案与运行策略匹配

针对该材料特性合作团队开发了可适应规模化应用的封装方案并设计了全新的运行策略。不同于常规单吸附模块的设计，该策略中使用了多吸附模块以实现装置的准连续运行，而吸附模块数量经过了吸附动力学与脱附动力学的匹配，类似“轮盘”的运行策略可以同时保证装置的连续运行以及吸附剂模块的充分吸附。在该研究中，基于此设计思路及拟合结果，研究人员最终采用了三块相同的吸附模块进行策略演示并据此设计了可突破日夜限制的低温位热能驱动的空气取水装置。

图2 轮转式吸附剂运行策略以及MOF吸附模块动力学匹配

3. 快速拆卸纯被动冷凝空气取水装置设计与全天候户外演示实验

不同于以往研究普遍采用的制冷剂系统辅助的冷凝方案，项目研究人员基于对冷凝过程的分析开发了一种纯被动式冷凝的空气取水装置。该装置整体使用了快拆结构，可以更好的适应实际应用中的维护与携带。经过优化后的冷凝器被放置在加热腔体的上部，实现了水蒸气解吸与冷凝的有效分离，大大减小了冷凝负荷。在实际测试中，配合优选的高效吸附剂与所提出的高效运行策略，该装置在24小时共计12个循环的连续运行中实现了 2.11 L _water kg _MOF ⁻¹ day ⁻¹ 高取水量。同时实验中充分验证了夜间取水的优势，借助夜间利于冷凝与吸附过程的低温高湿环境，装置在夜间取得了 1.4 L _water kg _MOF ⁻¹ day ⁻¹ 的水生产量。基于这一策略所开发的验证装置同时实现了全天候的连续取水以及吸附剂的高效利用。

图3 户外演示实验与实验结果

4. 全天候户外演示实验吸附模块性能表现

在全天候运行实验中研究人员对吸附模块性能进行了测试，测试结果展现了突破日夜限制进行夜间空气取水的巨大潜力。吸附模块在夜间高相对湿度的环境下可以具有更快的吸附速度以及更大的吸附量。同时较低的夜间温度也有利于水蒸气的冷凝。

图4 吸附模块户外演示实验与实验结果

5. 美国物理学联合会主办的《科学之光》（AIP Scilight）就本工作专访报道

总之，该工作呈现了一种突破日夜限制并对吸附剂性能进行匹配的全新运行模式，并基于此构建了演示装置。演示装置同时实现了装置的全天产水与吸附剂的高效利用。实验结果表明突破传统夜间吸附白天解吸的单次循环，有效利用MOF为代表的高效吸附剂快速吸附动力学开发新运行模式可以同时提升系统运行性能并减少吸附剂用量从而降低运行成本。

鉴于该工作的创新性意义，该工作被选为该期亮点论文（Featured article）。美国物理学联合会主办的《科学之光》（AIP Scilight）杂志以“Modular water harvester ensures continuous water production for arid regions”为题进行了专访报道并对王如竹教授进行了采访。报道高度肯定了该工作并认为该工作有望成为数百万干旱地区人民新的可靠用水方案。具体链接 https://doi.org/10.1063/10.0022442

阅读原文：

Zhao Shao, Zhi-Shuo Wang, Haotian Lv, Yu-Cheng Tang, Hongbin Wang, Shuai Du, Ruikun Sun, Xi Feng, Primož Poredoš, Dong-Dong Zhou* , Jie-Peng Zhang* , Ruzhu Wang* ; Modular all-day continuous thermal-driven atmospheric water harvester with rotating adsorption strategy. Applied Physics Reviews, 2023.

https://doi.org/10.1063/5.0164055

科学之光AIP Scilight 报道：

Avery Thompson; Modular water harvester ensures continuous water production for arid regions. Scilight, 2023.

https://doi.org/10.1063/10.0022442

通讯作者简介

王如竹，上海交通大学讲席教授。主要从事制冷、热泵与热湿调控研究。他在低品位热能高效制冷的吸附/吸收制冷、低品位热能品位提升的热泵、能源-水-空气的交叉前沿研究等方面取得了显著的创新成就。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；他荣获2018国际热科学Nukiyama纪念奖、2019国际制冷学会最高学术奖Gustav Lorentzen奖章、 2021国际能源署热泵奖和2023全球能源奖Global Energy Prize等7项学术成就奖。均为首位中国籍学者获奖。2017和2018入选科睿唯安/汤森路透全球高被引科学家（工程学），2023入选科睿唯安/汤森路透全球高被引科学家（交叉学科）。

王如竹教授于2018年创建了上海交大ITEWA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、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Nature Communication等期刊上发表系列跨学科交叉论文。

张杰鹏，中山大学化学学院教授。主要从事配位聚合物多孔材料的设计合成与功能研究，在吸附存储、分离、催化等领域取得了系列成果，在包括 Science 、 Nat. Mater. 等知名国际学术刊物发表了160多篇论文，多次入选科睿唯安/汤森路透全球高被引科学家，H指数71。2012年获国家杰出青年科学基金；2019年获中国青年科技奖，获广东省科学技术一等奖（第一完成人），2020年获科学探索奖。

周东东，现任职中山大学化学学院副教授。目前研究兴趣为动态/柔性分子基多孔材料设计、合成及其在吸附分离、催化等方面的应用。参与编纂专著两部，已发表学术论文70余篇，H指数27。近五年，主持国自然面上、青年基金等5个项目，并以第一/通讯作者在 Nat. Mater. 、 Sci. Adv. 、 J. Am. Chem. Soc. 、 Angew. Chem. Int. Ed. (3)等知名国际期刊上发表论文20多篇。入选中山大学人才计划、美国化学会 Cryst. Growth Des. 新锐科学家，获国家超级计算广州中心2021年度“天河之星”优秀应用奖等。