太陽能吸附式空氣取水是一種在離網乾旱地區供水的有前途的方法，但透過解吸-冷凝的傳統取水迴圈總是伴隨著大量能耗因而限制了取水效率。受空氣鳳梨啟發，上海理工大學王佳韻副教授、王世革教授和王如竹合作開發了一種新型複合(PNIPAAm-CNTs-PNMA@LiCl)，縮寫PCP@LiCl，內部溫敏組分聚N-異丙基丙烯醯胺(PNIPAAm)可以在臨界溫度下實現親疏水性的轉化，從而使PCP@LiCl將吸附的水以液態直接從材料中擠出，避免了水經歷多重氣液相變過程造成的能量浪費。透過靜電紡絲製備的奈米纖維在15%、30%及60%RH的條件下，吸溼量可達到0.43 g/g、0.89 g/g及1.48 g/g。取水過程中，溫敏組分與氯化鋰呈現了有趣的博弈現象，將階躍溼度由原本的11% RH延後至 35% RH，即收集相同水量情況下，所需冷凝溫度由20oC可提升為45oC。該奈米纖維具有快速的吸溼-解吸動力學特性，在中低溼工況（15%~30% RH），僅2小時即可吸附飽和。另外，碳奈米管賦予的光熱效能和擠水性相結合，在自然光照射5分鐘後，奈米纖維直接擠出體內50%的液態水，無需冷凝過程便可收集。團隊結合吸附式空氣取水的熱力學框架和全球高精度氣象資料，建立了全球潛能模型並證明了溫敏纖維在乾旱和半乾旱地區的應用價值。這項研究為實現高效的太陽能空氣取水技術提供了新的見解。相關論文以“Tillandsia-Inspired Ultra-Efficient Thermo-Responsive Hygroscopic Nanofibers for Solar-Driven Atmospheric Water Harvesting”為題，發表在Advanced Materials，第一作者為王佳韻，應汶峻。
背景介紹
隨著全球變暖與工業化的不斷推進，飲用水短缺危機成為全球性的挑戰。太陽能吸附式空氣取水（SAWH）作為一種無需外界輸入電力、離網執行的靈活淡水獲取方法，引起了學術界廣泛的關注。該技術利用吸附劑捕獲空氣中的水分子，再透過熱或者其他能量驅動吸附態水的釋放，並透過冷凝實現對液態水的收集。然而，當前吸附式空氣取水技術陷入困境：一方面，解吸溫度和動力學仍然受限；另一方面，透過解吸-冷凝的傳統取水迴圈總是伴隨著大量能耗。因此，亟需探索一種新的路徑實現低能耗的高效空氣取水。空氣鳳梨，隸屬於鐵蘭屬（Tillandsia Species），其葉片具有特殊的親疏水結構，實現快速的水分吸收與液滴輸運，因此可憑藉葉片直接從大氣環境中吸收水分維持生命活動。本工作受空氣鳳梨啟發，開發了吸溼溫敏奈米纖維，在臨界溫度下實現親疏水性的轉化，從而使吸附劑將吸附的水以液態直接從材料中擠出，避免了水經歷多重氣液相變過程造成的能量浪費。
研究出發點
1、受空氣鳳梨啟發，本工作制備了一種用於太陽能驅動空氣取水的溫敏紡絲纖維PCP@LiCl，內部溫敏組分聚N-異丙基丙烯醯胺(PNIPAAm)可以在常溫下實現親疏水性的轉化，從而使PCP@LiCl將吸附的水以液態直接從材料中擠出，避免了水經歷多重氣液相變過程造成的能量浪費。
2、透過製備的奈米纖維在15%、30%及60%RH的條件下，吸溼量可達到0.43 g/g、0.89 g/g及1.48 g/g。該奈米纖維具有快速的吸溼-解吸動力學特性，在中低溼工況（15%~30% RH），僅2小時即可吸附飽和。
3、另外，碳奈米管賦予的光熱效能和擠水性相結合，在自然光照射5分鐘後，奈米纖維直接擠出體內50%的液態水，無需冷凝過程便可收集。這一特性使奈米纖維在全球潛能估計中證明其在乾旱和半乾旱的地區具有良好的應用前景。
空氣鳳梨和仿生靜電紡絲奈米纖維的設計。a-b)空氣鳳梨葉片結構c-d) 吸溼性奈米纖維的溫敏性原理
圖文解析
圖1 奈米纖維的製備流程及材料表徵。a)製備流程b-c)掃描電子顯微鏡d-e)冷凍電鏡f)製備過程基團變化g)製備過程晶體結構變化
研究團隊提出了一種透過靜電紡絲方式製備吸溼性奈米纖維的方法：在異丙基丙烯醯胺和羥甲基丙烯醯胺的共聚物中加入碳奈米管，採用靜電紡絲法將其紡成纖維膜，經熱交聯後獲得穩定的纖維膜結構，並浸漬氯化鋰得到吸溼性奈米纖維。掃描電子顯微鏡顯示奈米纖維呈疏鬆的網狀結構，吸溼鹽均勻附著於纖維上。它同樣保留了溫敏性質，在冷凍電鏡下，吸附後的奈米纖維表面存在著大量的冰晶，而在解吸完成後非常光滑，證明解吸效能出色。
圖2 奈米纖維的吸附-解吸效能。a-c)靜態吸附效能d-e)動態吸附效能像f)迴圈穩定性；g)熱解吸效能h)靜態吸附效能比較i)動態吸附效能比較
溫敏奈米纖維具有吸附量高、吸附速率快、穩定性好等優點。在15%、30%和60%的RH下分別達到了0.43、0.89和1.48g g -1的高吸附量。取水過程中，溫敏組分PNIPAAm與氯化鋰呈現了有趣的博弈現象，將階躍溼度由原本的11% RH延後至 35% RH，即收集相同水量情況下，所需冷凝溫度由20 oC提升為45 oC，大大降低了冷凝能耗。另一方面，纖維間的高孔隙帶來的低傳質阻力，使其在乾旱和半乾旱條件下具有比現有鹽基複合吸附劑更為快速的吸附動力學，約兩個小時即可達到飽和。此外，在60%RH的高溼環境下，材料在多次吸附-解吸迴圈後仍不會發生鹽洩露，展現出高的穩定性。
圖3 奈米纖維的擠水效能。a)熱實驗裝置示意圖b)擠水影象c-d)溫敏性表徵；e-g)光熱效能測試
研究團隊分別在電熱和光熱的條件下對奈米纖維的解吸效能進行了研究。結果顯示，隨著溫度上升，液態水逐漸從材料內部被擠到表面，這個過程大約持續五分鐘。升溫過程中，溫敏材料的親疏水性發生了顯著的變化，當溫度達到約38 oC，材料表面的接觸角從38度開始增加，在約42 oC後達到接觸角保持在80度。奈米纖維中的碳奈米管具有良好的光熱轉化效能，即便在低太陽輻照下，也僅需要兩分半即可達到奈米纖維的臨界轉化溫度。
圖4 奈米纖維的全球應用潛能。a)PCP@LiCl在全球的取水潛力;b)有無PNIPAM的材料的效能對比，淺藍色表示PCP@LiCl取水效能更佳。
根據吸附劑的熱溼傳遞過程，建立了SAWH的熱力學框架，基於構建的熱力學框架和全球高解析度氣候資料，繪製了納米纖維在全球的應用潛能地圖。其主要應用領域位於赤道附近的高溫高溼地區，即東南亞、南海諸島、中非和南美洲北部，最多能夠實現2.5g/g的取水量。同時，與沒有加入PNIPAAm的奈米纖維進行了對比。得益於獨特的光熱性和擠水性，溫敏性奈米纖維在乾旱和半乾旱地區都具有更好的應用潛能。
總結與展望
為了解決吸附劑動力學低和避免SAWH中經歷“氣化-液化”造成的能量浪費，該論文受空氣鳳梨啟發，用靜電紡絲的方法開發了一種具有溫敏性質的吸溼奈米纖維。該複合吸附劑具有吸附量高、吸附速率快、穩定性好的優點，並且能夠在太陽光下將吸附的水分以液態水的形式直接擠出。基於吸附式空氣取水的熱力學框架和溫溼度、太陽輻照強度等全球高精度氣象資料，本研究建立了全球潛能模型並證明了溫敏纖維在乾旱和半乾旱地區的應用價值。該研究為太陽光的直接高效利用提供了新的思路，促進了吸附式空氣取水技術的發展。
作者介紹：
共同第一作者 – 應汶峻：上海理工大學能源與動力工程學院博士研究生，師從王佳韻副教授，王如竹教授。主要從事吸附式空氣取水的材料製備，裝置熱溼傳遞和熱力學框架等方面的研究。
共同第一作者&通訊作者 – 王佳韻：上海理工大學能源與動力工程學院副教授，博導，曾作為王如竹教授帶領的ITEWA團隊成員之一，長期從事空氣取水、新型能源材料開發應用、熱力學系統熱溼傳遞等方面的研究。主持國自然面上、青年基金等多項課題。上海市晨光學者，入選上海理工大學“乘風計劃”、“志遠計劃”、“思學計劃”，曾獲上海交通大學“學術之星”稱號、節能減排特等獎等榮譽。指導學生獲上海市大學生節能減排競賽特等獎、全國研究生數學建模競賽二等獎。在《Energy & Environmental Science》、《Advanced Materials》、《Nano Energy》等期刊已發表高水平學術論文三十餘篇，授權國家專利十餘項。
共同通訊作者 – 王如竹：上海交通大學講席教授，製冷與低溫工程研究所所長，教育部太陽能發電及製冷工程中心主任。他在低品位熱能高效製冷的吸附/吸收製冷、低品位熱能品位提升的熱泵、能源-水-空氣的交叉前沿研究等方面取得了顯著的創新成就。主持的成果獲2014年國家自然科學二等獎、2010年國家技術發明二等獎和2023年國家科技進步二等獎，以及2022年何梁何利基金科學與技術創新獎；他榮獲2018國際熱科學Nukiyama紀念獎、2019國際製冷學會最高學術獎Gustav Lorentzen獎章、 2021國際能源署熱泵獎和2023全球能源獎Global Energy Prize等7項學術成就獎。均為首位中國籍學者獲獎。2018年創立ITEWA學科創新交叉團隊，致力於能源-水-空氣與其它領域的學科交叉。團隊近5年來在Science, Nature Water, Joule, EES, AM, Nature Comm., Device等期刊上發表系列跨學科交叉論文。
文獻連結：Jiayun Wang*, Wenjun Ying, Bowen Lin, Chunfeng Li, Chaohe Deng, Hua Zhang, Shige Wang*, & Ruzhu Wang*. Tillandsia-Inspired Ultra-Efficient Thermo-Responsive Hygroscopic Nanofibers for Solar-Driven Atmospheric Water Harvesting. Advanced Materials, 2024.https://doi.org/10.1002/adma.202408977
來源：高分子科學前沿
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