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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