近日，製冷與低溫工程研究所ITEWA創新團隊在國際頂級期刊《Nature Reviews Materials》上發表題為“Sustainable Moisture Energy”的Perspective論文，透過工程熱物理學科與化學學科和材料學科的多學科交叉融合，從熱力學、傳熱傳質學、反應動力學等視角對溼度誘導能源收集這一新興技術進行了分析研究，評估了該技術在全球不同氣候工況下的溼度誘導製冷/制熱/發電的產能潛力，為該領域的能源材料熱設計構建與能源器件研發提供了指導意見和前瞻方向。製冷與低溫工程研究所博士後許嘉興為論文第一作者、博士生王鵬飛為共同第一作者；李廷賢研究員為通訊作者，王如竹教授與清華大學曲良體教授為共同通訊作者。該論文入選Nature Reviews Materials期刊亮點論文（Featured Article）。
能源是人類社會生存和發展的物質基礎，開發可持續的能源技術是緩解全球能源短缺的重要路徑。從環境中收集能源是一種滿足分散式能源需求的有效方法。基於水蒸氣吸附的溼度誘導可持續能源收集技術（MSEH）可以從無處不在的溼空氣中獲取熱、冷和電，獲得廣泛的研究和關注。近年來，新型水蒸氣吸附材料的湧現推動了溼度誘導可持續能源技術的發展。然而，當前MSEH技術面臨著產能能力不足的共性瓶頸難題，有待進一步探究工作機制和熱力學本質的認識。
本文圍繞深入瞭解溼度誘導可持續能源的基本原理和熱力學特徵展開，詳細介紹了利用MSEH技術實現產熱、產冷和發電的工作原理，總結了水蒸氣吸附材料的研究進展。進一步深入探討了從溼氣中獲取能源的能量轉換機制、熱力學過程及迴圈（圖1）。
圖1 溼度誘導可持續能源技術的熱力學特徵與潛力
同時，本文透過熱力學分析計算了全球不同區域的溼度誘導可持續能源獲取潛力，發現儘管溼空氣是一種低品位的能源，但透過合理的材料設計和裝置構建有望實現高效的熱力學過程，充分挖掘其熱力學產能潛力有望獲得可觀的能量輸出（圖2）。
圖2 從溼空氣中獲取能源的全球產能潛力
文章特別指出：熱力學層面決定了MSEH技術的能量密度和能量品位，動力學層面決定了產能的功率密度。透過分析複雜多步吸附動力學過程，文章展望了構建有序跨尺度能量傳遞和物質輸運結構加速水吸附-解吸的技術方向，並提供了具體的潛在技術策略以提高功率密度（圖3）。
圖3 溼度誘導能量收集技術的跨尺度能量傳遞和物質輸運挑戰與機遇
文章最後全面展望了MSEH技術的未來發展方向，包括開發新型的吸附劑、構建智慧的能量收集系統、利用可再生熱源和溼度波動驅動迴圈等。從溼空氣中獲取能源有望成為一種廣泛可用、低碳環保的能量收集技術，為分散式能源需求和可持續能源轉型提供新的解決方案。
該工作獲得國家自然科學基金青年基金專案、傑青專案、重大專案的資助。
論文連結：
https://doi.org/10.1038/s41578-023-00643-0huo
來源：上海交通大學
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