太阳能驱动水凝胶空气取水登顶《Nature子刊》！

近日，上海交通大学制冷与低温工程研究所王如竹教授ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）团队在Nature Water期刊上发表了题为“Solar-driven Scalable Hygroscopic Gel for Passive Plant Transpiration and Soil Evaporation Water Recycling”的研究论文。论文针对温室生产中水资源利用效率低下的问题，该论文提出了一种基于太阳能驱动吸湿性水凝胶材料的植物蒸腾和土壤蒸发水回收装置，该装置在不影响植物光合作用及正常生长的前提下，实现了温室内部的高效水循环和再利用，装置取水量高达每株87.1 g以及每平米 1890.6 g，从而节约44.9%的灌溉用水。该论文是能源、农业、材料三个学科深度交叉的成果，为农业灌溉提供了创新且可持续的解决方案。文章第一作者是上海交通大学制冷与低温工程研究所、新加坡国立大学联合培养博士研究生邹豪，通讯作者为上海交通大学王如竹、黄丹枫教授和新加坡国立大学李俊教授。

【研究背景】

全球正在经历人口增长加剧以及水资源短缺问题。由于农业生产部门，特别是温室农业，占人类用水量近70%，发展节约资源的农业方法和减少温室用水成为解决水资源危机的关键。在温室生产中，大部分灌溉水通过土壤蒸发和植物蒸腾损失，只有2%-3%用于植物生长。尽管温室已采用滴灌、气雾培和潮汐灌溉等节水技术，但仍存在显著的水分损失问题。都市园艺如植物工厂虽然改善了生产中的用水情况，但未解决高湿度导致的水资源浪费。由于温室固有的高湿度和除湿需求，吸附式空气取水技术在温室中的应用具有巨大潜力。这一技术提供了一种从环境空气中被动提取水分的方法，吸附剂在夜间高湿度下捕捉水分，并在白天利用太阳能释放水蒸气，凝结成液态水用于二次灌溉。然而，针对整个温室环境的除湿方法往往效率低下，特别是对于种植叶菜类等低株高作物的温室。温室生产中常用的大型设备如热泵、太阳能电池板等又增加了系统的复杂性和成本，且可能阻挡进光。解决这些问题对于实现水收集技术在农业中的全面潜力至关重要。

【主要内容】

1.材料设计

该论文使用氮化钛（TiN）、凝胶多糖（CUR）、聚丙烯酸钠（PAAS）和氯化锂（LiCl）制备了名为TCP-Li的可扩展吸湿凝胶材料。TCP-Li材料的合成过程包括交联-冷冻干燥工艺，形成了互联的多孔凝胶结构。图1展示了TCP-Li的合成过程及其SEM图像，显示了材料的多孔结构，这种结构有助于快速水分传输。凝胶材料由多层互连的多孔网络结构组成，有利于水的快速输送和内部水的扩散过程。由于出色的合成工艺，TCP-Li在整个太阳光谱中具有高达99%的极高吸光度，并且具有较高的光热转换效率，有利于快速水的快速解吸。

图1 TCP-Li的制备与表征 a.制备过程 b-c.扫描电子显微镜照片 d. EDS图谱e. XRD图谱 f. FTIR图谱 g. UV-vis-NIR图谱

2. 性能测试

针对制备的TCP-Li水凝胶材料，开展了一系列水蒸气吸附-解吸性能实验测试。得益于多孔吸湿凝胶超高的盐含量，TCP-Li表现出快速的吸湿动力学。在环境相对湿度分别为90%和60%时，TCP-Li的吸水量分别为3.38 g·g-1和2.80g·g-1。纳米氮化钛的局域表面等离子共振使凝胶具有良好的光热转换特性，在模拟阳光源下的蒸发性能测试表明，TCP-Li能够有效地解吸水分，使其有效适用于温室中的白天水分解吸。即使在0.6个太阳的光照强度下 (600 W/m2),TCP-Li仍能表现出较快的解吸动力学，保证了其在低光照强度下的正常解吸。此外，吸湿凝胶具有良好的循环稳定性，在15个完全吸附解吸循环后，吸湿容量衰减也不超过3%。

图2 TCP-Li的吸附-解吸性能。a. TCP-Li的等温吸附曲线 b-c. 不同填盐量和不同湿度湿度下TCP-Li的吸附能力 d. TGA测试图 e. 测试示意图 f.凝胶表面温度变化图 g-h. 凝胶解吸性能测试图 h. 性能比较图

3. 户外验证实验

图3展示了TCP-Li在户外水生产示范实验中的表现。该材料经历了一个完整的吸附-解吸循环，实现了2.35 g·g-1的水分吸附和1.55 g·g-1的产水量。通过自然光照加热，TCP-Li能够快速释放吸附的水蒸气，并将其凝结成液态水。冷凝水的离子含量符合世界卫生组织（WHO）的饮用水标准，适合饮用和农业用途。

图3 TCP-Li户外产水实验。a. 装置图 b. 环境参数 c. TCP-Li实物图 d.吸附-解吸循环中重量变化图 e. 集水量变化图 f.集水金属离子浓度图

4. 装置设计

在温室作物栽培过程中，水分的浪费以及室内高湿水汽的形成，主要是由于作物蒸腾和土壤蒸发所致。为了减少这种灌溉浪费，该论文设计并制造了一种名为“TEAD”的湿气回收装置。该装置结合了TCP-Li材料来收集夜间作物蒸腾和土壤蒸发排出的水蒸气，并在白天利用自然光照释放这些水分用于灌溉。TEAD系统包括一个中空的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基座、TCP-Li吸附床和一个PMMA冷凝盖。夜间打开TEAD的盖子，TCP-Li吸收植物蒸腾和土壤蒸发产生的水蒸气；白天关闭盖子，太阳辐射加热吸附剂，释放吸附的水蒸气，并凝结成液态水流回土壤用于灌溉。这种模块化设计使TEAD能够轻松集成到现有温室设置中，而不会阻挡阳光或需要额外的能源输入。

图4 TEAD装置设计。a. TEAD装置图 b. TEAD 运行传热传质图 c. TEAD实物图 d. TEAD IR图

5. 装置测试

在新加坡国立大学的实际温室测试中，TEAD展示了其卓越的水分回收能力。结果显示，每株植物每天可回收高达87.1克的水分，或每平方米回收1890.6克的水分，实现了44.9%的平均节水效果，这大大减少了对补充灌溉的需求。TEAD完全依靠太阳能运行，不需要额外的能源输入，使其成为节能的水循环解决方案。此外，TEAD系统通过维持土壤湿度和提供额外的灌溉水，确保植物正常生长，不会对植物产生不利影响。在测试过程中，TEAD展示了其在晴天和雨天均能高效回收水分的能力。通过利用植物之间的空间，TEAD有效地吸收和释放水分，而不会影响植物的正常生长。这些结果表明，TEAD不仅能够显著减少水资源消耗，还能提高温室种植的整体效率。

图5 TEAD温室集水实验 a. 环境参数 b.温度变化 c.单次取水效果 d.连续取水效果 e.性能比较图

在实验过程中，TEAD也展示了其在提高土壤湿度和减少灌溉需求方面的有效性。图6展示了TEAD在整个种植阶段对作物生长的影响。测试结果显示，TEAD能够在不同的生长阶段为作物提供充足的水分支持，显著提高了土壤湿度水平，并减少了额外灌溉的需求。使用TEAD的作物在生长过程中表现出良好的生长状态，叶片数量、叶长和叶宽等指标均与对照组无显著差异，证明TEAD不会对作物生长产生负面影响。

图6 TEAD温室节水效果 a-b.土壤湿度变化 c.节约灌溉量 d-e.对植物各项指标的影响

【文章总结】

总之，为了解决全球水资源短缺问题并提高温室中的水资源利用效率，该论文开发了一种名为TEAD的装置来优化灌溉水的利用。TEAD包括一种多组分互连，具有良好的扩展性和可靠的粘附性能的吸湿多孔凝胶TCP-Li。得益于精细的合成工艺和各个合成材料的有效性能表达，合成的TCP-Li表现出高达3.38 g·g-1的吸水性能，并在自然阳光下具有快速解吸能力。在温室测试中，TEAD能够在不影响植物光合作用及正常生长的前提下，实现了温室内部的高效水循环和再利用，装置取水量高达每株87.1 g以及每平米 1890.6 g，从而节约44.9%的灌溉用水。结合这些优点，该设计为进一步提高温室水资源利用效率提供了一种新方法，有望缓解全球水危机并减少农业用水浪费。该论文的工作为离网和干旱地区的可持续节水温室生产提供了新方法，未来的研究应集中于适应更大规模的应用，并将这项技术与其他可持续农业实践，如精准灌溉和土壤湿度监测相结合。本研究将园艺、能源和材料等跨学科领域联系起来，为温室水管理提供了可行的解决方案，并为跨学科研究提供了技术路线。

阅读原文：https://doi.org/10.1038/s44221-024-00265-y 或点击文末“阅读原文”

相关导读：https://doi.org/10.1038/s44221-024-00272-z

来源：上海交大制冷所