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图 双定向分级多孔结构吸附材料的制备及规模化空气取水性能。(a) 双温度梯度诱导冰晶生长合成双定向分级多孔结构吸附材料的制备方法；(b) 基于双定向分级多孔结构吸附材料组装整列的规模化空气取水装置示意图；（c）不同相对湿度工况下空气取水性能比较
在国家自然科学基金项目（批准号：52293412、52325601）的资助下，上海交通大学李廷贤/王如竹团队与德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华团队合作，开展了吸附式空气取水“材料-单元-装置-系统”的多层级基础理论和实验研究，在规模化高效太阳能驱动空气取水方面取得新进展。研究成果以“双定向分级多孔结构吸附材料助力规模化高效太阳能驱动空气取水 (Scalable and Efficient Solar-driven Atmospheric Water Harvesting Enabled by Bidirectionally Aligned and Hierarchically Structured Nanocomposites)”为题，于2023年10月30日在线发表在《自然•水》 (Nature Water) 期刊上。论文链接：https://doi.org/10.1038/s44221-023-00150-0。
太阳能驱动的吸附式空气取水技术因其高适应性和低成本等优势近年来得到广泛关注，有望缓解淡水资源短缺困境。然而，尽管报道的吸附材料在粉末或小颗粒测试中展现出较高的吸附性能，当规模化应用于空气取水装置时，由于材料随机堆积导致热质无序传输，不可避免地造成取水性能的大幅衰减，成为制约规模化吸附式空气取水发展的共性瓶颈难题。亟需探究吸附材料堆积结构对吸附-解吸过程中传热传质性能的影响机制，指导新型吸附材料的结构设计和空气取水“材料-单元-装置-系统”的多层级跨尺度热设计。
为此，研究团队提出了构建跨尺度热质有序传输结构提高空气取水吸附-解吸动力学的学术思路。理论方面：阐明了吸附材料堆积结构与热质传输性能的构效关系和影响因素，明晰了材料内部的扩散阻力是影响吸附-解吸过程性能恶化的主要原因；材料层面：首创了双温度梯度诱导冰晶生长合成双定向分级多孔结构吸附材料的热设计方法，实现了兼具低扩散深度和低曲折因子的吸附材料的优化制备；装置层面：提出了规模化空气取水装置的模块化组装热设计方法，采用双定向分级多孔结构吸附单元进行串/并联有序组装实现了空气取水装置的构建；系统层面：提出了具有普适性的主动式空气取水系统的回热新循环，实现了冷凝器冷负荷和集热器热负荷的协同降低。
基于上述吸附式空气取水“材料-单元-装置-系统”的多层级创新，研究团队设计并搭建了规模化回热型连续式空气取水实验样机，实现了全天候宽湿度工况下的太阳能驱动高效空气取水，材料吸附量高达6.61 kgwater·kgsorbent-1，装置单日取水量高达2820 mL·kg-1·day-1。该工作为吸附式空气取水“材料-单元-装置-系统”的跨尺度热质有序传输和高效节能热力循环提供了新思路。