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上海交大王如竹团队揭示聚两性离子吸湿凝胶从空气取热与取水潜力
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分类:  创建于:2023-11-28 被查看:961次
近日,上海交通大学机械与动力工程学院王如竹教授领衔的“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA在国际期刊ACS Energy Letters上发表了题为“Harvesting Thermal Energy and Freshwater from Air through Sorption Thermal Battery Enabled by Polyzwitterionic Gel”的研究论文。该团队通过结合亲水性聚合物和两性离子聚合物,开发了具有高稳定性和可控的盐溶液保留能力的新型吸湿凝胶,并利用该凝胶开发了取水和储热功能集成器件,验证了从空气中高效取热与取水的潜力。上海交大制冷与低温工程研究所博士研究生山訸为论文第一作者,王如竹教授为通讯作者。


论文聚焦于解决能源和水资源的全球性短缺问题。从能源利用角度,储存可再生能源和非高峰电力可以提高能源利用效率,并缓解可持续能源供需之间的不匹配问题。从水资源短缺问题角度,大气中蕴含的水蒸气是非传统水资源中具有重要潜力的部分,捕捉这部分水资源有望实现随时随地的淡水生产。空气中水蒸气的吸附-解吸循环可以实现两者结合,利用吸附过程实现对大气水分的存储与吸附热的释放,而解吸过程则实现水分的释放与能量的储存(吸附势能),进而构建出从空气中获取淡水与储存吸附势热能的有效途径。


研究的关键技术突破在于吸附材料的开发。研究团队对氯化锂掺杂的聚两性离子-亲水凝胶进行了热力学行为分析,指导了聚合物凝胶的设计和调控,提出了具有高容量和稳定的溶液保留能力的吸湿凝胶。这种吸湿凝胶在20%至85%的相对湿度范围内表现出1.07 g/g至5.82 g/g的显著吸附量,并在80%相对湿度下表现出9948 kJ/kg的吸附储热能量密度。同时,通过利用这种凝胶材料,构建了储热、放热、取水三种循环路径的集成方法,实现了7779.6 kJ/kg的能量密度、1.7 kW/kg的峰值功率密度和0.97 kg/kg的水生产率,有效地实现了热能的收集存储和水的联产。

研究展示了通过水蒸气的吸附和解吸,同时实现热能存储和水资源获取的可能性。未来的研究方向可以专注于系统组件的设计优化,旨在实现更灵活、稳定的热能输出温度控制和更大规模淡水生产,为该技术在不同领域的实际应用创造条件。

ACS Energy Letters专注于发布能源、材料领域高质量研究论文,该期刊在Web of Science的物理化学、能源与燃料、多学科交叉材料科学和纳米科学与纳米技术分类中,均排名前十名。

王如竹教授领衔的ITEWA(Innovation Team for Energy, Water & Air)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、Nature Reviews Materials、Joule、Energy and Environmental Sciences、Nature Water、Nature Communications、Advanced Materials、ACS Energy Letters等国际期刊上发表系列跨学科交叉论文。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.3c01836
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