东华大学成艳华/张新海 AFM：吸湿性生物基气凝胶实现高效协同的大气集水和被动冷却

2025-03-24 来源：高分子科技

大气集水技术通过从空气中捕获水蒸气并将其转化为液态水，为解决全球水资源短缺问题提供了一条极具潜力的途径。目前，吸湿盐分级孔复合材料、高效吸附MOF基材料、光热协同聚合物水凝胶等一系列新型大气集水材料已相继问世。然而，如何在缓解淡水资源短缺的同时，协同提升资源利用效率，仍是一个亟待解决的挑战。

针对这一问题，东华大学先进纤维材料国家重点实验室的成艳华研究员、张新海副研究员及其团队提出了一种创新方案：利用工业废热（如光伏电池产生的余热）作为热源，设计了一种生物基吸湿性气凝胶，驱动大气集水-蒸发系统协同运行。该技术不仅显著提升了废热能源的利用效率，还通过蒸发冷却机制降低了光伏电池的工作温度，从而提高了其发电效率，同时实现了高效的大气集水。

研究团队开发的吸湿气凝胶具有独特的垂直排列通道结构，为水蒸气的快速吸附和扩散提供了丰富的接触面和传输通道，使其即使在低湿度条件下也能保持高效的吸附性能。此外，通过利用吸附-解吸循环中的蒸发冷却效应，结合光伏余热驱动水分子的释放，该技术同步实现了光伏板发电效率的提升和淡水的高效收集，达到了资源利用的双重增益。

相关工作以 “Tandem Atmospheric Water Harvesting and Passive Cooling Enabled by Hygroscopic Biopolymer-Based Aerogels” 为题，发表于《Advanced Functional Materials》。

研究团队采用定向冷冻技术，成功构建了一种具有垂直排列通道结构的气凝胶。该气凝胶由细菌纤维素（BC）、海藻酸钠（SA）、氧化石墨烯（GO）和氯化锂（LiCl）组成，通过氢键相互作用和离子交联形成了稳定的三维网络结构（如图1所示）。这种具有垂直通道的吸湿气凝胶（BC/SA/GO-LiCl）经过系统集成，构建出高效的大气集水系统，其集水能力高达1.8 g·g^-1·day^-1。进一步与光伏发电系统集成后，该材料展现出双重增效机制：一方面能够从空气中高效捕获水分，另一方面利用光伏板产生的废热实现被动冷却，使光伏发电效率提升了2.9%。这一创新技术为解决水资源短缺和能源高效利用提供了新的思路，尤其在干旱或半干旱地区具有广阔的应用前景。通过将废热资源与大气集水技术相结合，该研究为可持续发展目标的实现贡献了重要力量。

图1. 吸湿气凝胶的设计策略及其在大气集水与光伏发电协同增效中的应用研究

BC/SA/GO-LiCl气凝胶结合了LiCl的强吸湿性与垂直多孔结构的耦合效应，表现出快速的吸附动力学和广泛的湿度适应性。在30%-90%的相对湿度（RH）范围内，其水吸附容量可达1.4-5.7 g·g^-1。即使在低湿度条件（30% RH）下，2小时内的吸附量仍高达1.31 g·g^-1。在吸附初期，该气凝胶在不同湿度下均展现出较高的吸附速率，同时具备优异的吸附-解吸循环稳定性。与现有吸附剂相比，BC/SA/GO-LiCl气凝胶在宽湿度范围内的水吸附性能表现突出，具有显著的竞争优势。

在太阳能驱动下，BC/SA/GO-LiCl气凝胶能够高效释放吸附的水分，实现水分的快速收集（如图2所示）。其光谱吸收特性表现出对太阳辐射的广泛吸收能力，与BC/SA-LiCl相比，具有更高的太阳能捕获效率。在不同光照强度下，气凝胶表面温度能够迅速上升并达到稳定状态，为水分蒸发提供了充足的热量支持。随着光照强度的增加，气凝胶的质量变化显著，蒸发速率明显加快，在60分钟内蒸发效率最高可达约68%，充分展现了其卓越的太阳能驱动蒸发性能。在实际应用中，该气凝胶在太阳能驱动下的日产水量高达1.80 g·g^-1·day^-1，且收集到的水质纯净，离子浓度远低于世界卫生组织（WHO）标准，确保了其安全性和可靠性。

图2. 太阳能驱动吸湿气凝胶的水分解吸附特性

在干旱地区，高密度部署的太阳能发电设备在运行过程中会产生大量废热，这些废热不仅被浪费，还会导致光伏电池温度升高，从而降低发电效率。为解决这一问题，研究团队将BC/SA/GO-LiCl气凝胶与光伏板系统集成，构建了一种大气集水与光伏被动冷却耦合的新型系统。该系统利用光伏板运行过程中产生的废热驱动气凝胶的热解吸过程，释放吸附的水分，同时通过水蒸气蒸发实现光伏板的被动冷却（如图3所示）。实验结果表明，在1 kW·m^-2的光照条件下，集成气凝胶的光伏组件温度比未集成的光伏板降低了5.8 ℃，蒸发冷却功率达到57.7 W·m^-2。这一协同效应使光伏发电效率提升了2.9%，同时实现了0.033 kg·m^-2·h^-1的淡水产出率。基于对2050年全球光伏装机容量的预测，该技术有望额外发电207.6 TWh，并显著减少燃煤发电产生的二氧化碳排放量。

图3. 串联大气集水与光伏发电系统，实现大气水收集-光伏发电协同增效

综上所述，这项研究为解决水资源短缺和提升能源利用效率提供了创新性解决方案。通过将吸湿性气凝胶与光伏板废热协同利用，该技术在缓解干旱地区水资源匮乏和能源供应不足方面展现出巨大潜力。未来，通过持续优化材料性能并拓展应用场景，这一技术有望为全球水资源与能源的协同可持续发展注入强劲动力。

该工作得到了国家重点研发计划项目（2021YFB3701600）、国家自然科学基金项目（52273031）、东华大学励志计划项目（LZA2024001）、中央高校基本科研业务费专项基金项目（2232024Y-01）、东华大学先进纤维材料国家重点实验室资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202423063

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（责任编辑：xu）

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