中南大学陈梅洁&长江大学李庆教授Journal of Colloid and Interface Science：定向辐射制冷与太阳加热辅助大气集水实现全天产水

随着全球水资源的短缺，从空气中获取淡水的大气集水技术飞速发展。然而，现有吸附式集水、露水收集及其耦合系统普遍存在受到热质传递效率不足、昼夜产水不连续和冷凝水滴难以及时脱落等问题。针对上述瓶颈，本文构建了一种由吸附/解吸端与冷凝端组成的全天候被动大气集水系统，通过光子学设计、界面工程和系统结构优化协同调控太阳能输入、向外太空辐射散热、内部水汽输运及液滴脱落。吸附/解吸端由碳纳米管/聚二甲基硅氧烷（carbon nanotubes/polydimethylsiloxane，CNT/PDMS）非选择性吸收层和负载氯化锂的聚丙烯酰胺水凝胶（lithium chloride loaded polyacrylamide hydrogel，PAM@LiCl）吸湿水凝胶组成：白天吸收太阳能驱动解吸，夜间以高红外发射率向外太空散热并增强吸湿；冷凝端则采用六方氮化硼/聚二甲基硅氧烷（hexagonal boron nitride/polydimethylsiloxane，hBN/PDMS）选择性辐射制冷层和异质铝基冷凝表面，在昼夜均保持冷却并促进水滴成核、汇聚和定向脱落。铝反射板使两端在垂直布置下仍可获得定向太阳加热与辐射制冷，同时改善封闭空间内的自然对流，研究进一步将两端间距优化为10 mm以平衡传热与传质阻力。材料性能方面，非选择性吸收层的太阳吸收率和长波红外发射率分别达到0.981和0.972；白天被动辐射冷却（passive daytime radiative cooling，PDRC）层的太阳反射率和长波红外发射率分别为0.962和0.920；PAM@LiCl在典型条件下8 h吸湿量达到3.84 kg/m²。五天室外实验中，系统平均产水量为1.74 kg/m²，最高达到2.12 kg/m²，表明定向太阳加热、辐射制冷、吸附解吸、蒸汽输运和界面冷凝的协同设计可显著提高全天大气集水性能。相关工作以Directional radiative cooling and solar heating-assisted atmospheric water harvesting for all-day water production为题发表在Journal of Colloid and Interface Science期刊。

本文设计了由吸附/解吸端、冷凝端和双侧铝反射板组成的全天被动大气集水系统。装置白天利用太阳加热驱动PAM@LiCl水凝胶解吸，并通过PDRC冷凝水汽；夜间则由双端定向辐射制冷促进吸湿和露水收集（图1）。CNT/PDMS吸收层兼具0.981太阳吸收率和0.972红外发射率，45°反射板可实现垂直太阳加热及约3.8℃夜间亚环境冷却（图2）。优化后的3:1氯化锂：丙烯酰胺（lithium chloride:acrylamide，LiCl:AM）水凝胶和7.5 mm厚度兼顾吸湿容量与解吸效率（图3）。hBN/PDMS冷凝层具有0.962太阳反射率和0.920红外发射率，异质箭头润湿表面可促进液滴定向脱落，集水速率达0.210 kg m⁻² h⁻¹（图4-5）。五天户外测试中，系统平均产水1.74 kg m⁻²，最高2.12 kg m⁻²，实现无需外部能源的全天稳定产水（图6）。

图1.全天大气集水系统的工作原理与设计：（a）装置白天太阳驱动解吸和辐射冷却辅助冷凝、夜间辐射冷却辅助吸湿与露水冷凝的工作示意；（b）非选择性太阳吸收层和选择性辐射制冷层的理想光谱；（c）典型条件下太阳吸收层和辐射制冷层的理论加热/冷却净功率；（d）不同环境温度与相对湿度下纯辐射制冷和辐射制冷耦合吸附剂的理论集水能力。

图2.非选择性太阳吸收层的结构与定向热管理性能：（a）吸收层的光谱反射率及处理前后实物照片；（b）吸收层SEM图像；（c）不同入射角下的平均太阳吸收率；（d）不同反射板角度下垂直吸收层相对水平吸收层的温升变化及室内测试示意；（e）水平吸收层和45°反射板辅助垂直吸收层在不同加热时间的红外图像；（f）自然太阳光下水平和垂直吸收层的室外温度变化；（g）有无PE对流屏蔽膜时水平吸收层的室外温度变化；（h）夜间PE膜覆盖条件下水平和垂直吸收层的亚环境降温。

图3.PAM@LiCl水凝胶的吸附/解吸性能：（a）水凝胶网络及PAM、Li⁺、Cl⁻、水分子与交联剂的作用示意；（b）水凝胶中Cl、N、O和C的元素映射；（c）水凝胶实物照片和多孔结构SEM图像；（d）不同LiCl/AM比例对吸附与解吸性能的影响；（e）不同水凝胶厚度对吸附与解吸性能的影响；（f）不同冷却/加热功率下的吸附/解吸速率。

图4.冷凝端PDRC层的亚冷却性能：（a）PDRC样品实物照片和太阳-中红外光谱反射率；（b）PDRC层SEM图像；（c）自然太阳光下PDRC样品与未涂覆基底的日间温度变化；（d）夜间有无PE对流屏蔽膜时PDRC样品的冷却性能；（e）反射板辅助垂直PDRC与水平PDRC的夜间冷却性能及其与露点温度的关系。

图5.异质润湿冷凝界面的制备与集水性能：（a）通过酸蚀、PFOTS修饰和掩膜紫外照射制备异质润湿表面的流程；（b）未处理、亲水和疏水铝表面的实物照片与接触角；（c）20 W紫外照射时间对疏水铝表面接触角的影响；（d）箭头状异质润湿图案示意；（e）未处理、亲水、疏水、条纹和箭头表面冷凝60 min后的液滴形貌；（f）不同冷凝表面的集水速率。

图6.全天大气集水装置的室外产水性能：（a）装置白天封闭腔体和夜间开放腔体的运行示意；（b）夜间太阳吸收层、PDRC、环境及露点温度变化；（c）白天太阳吸收层、PDRC和环境温度随太阳辐照的变化；（d）连续五天水凝胶的吸湿量、解吸量和实际收集量；（e）各夜间露水收集量；（f）装置昼夜总产水量；（g）本工作平均和峰值集水速率与已报道大气集水系统的对比。

小结：本研究开发了一种由定向辐射制冷和太阳加热共同驱动的全天被动大气集水装置，并通过光谱设计、界面工程及内部热质传递优化实现吸附、解吸、蒸汽输运、冷凝和液滴收集的连续耦合。材料层面，CNT/PDMS非选择性吸收层同时具有0.981的太阳吸收率和0.972的长波红外发射率，可在白天进行太阳加热、夜间进行辐射制冷；hBN/PDMS选择性PDRC层具有0.962的太阳反射率和0.920的长波红外发射率，为冷凝端提供全天散热。PAM@LiCl水凝胶在典型吸湿条件下8 h吸湿量达到3.84 kg/m²，异质铝基冷凝表面则通过兼顾亲水成核和疏水脱落，将冷凝集水速率提高至0.210 kg m-2h-1。系统层面，铝反射板使太阳加热和热辐射沿目标方向传递，从而支持两端垂直布置；两端距离进一步优化为10 mm，以利用内部自然对流并平衡热阻和水汽传质阻力。五天室外实验中，水凝胶平均吸湿量为2.45 kg/m²，约95%的吸附水可在白天释放，其中约71%最终被冷凝收集；结合夜间露水收集，装置平均全天产水量达到1.74 kg/m²，最高达到2.12 kg/m²。结果说明，对太阳能输入、向外太空散热、水汽输运和液滴移除进行协同设计，是提高全天大气集水产量的关键。该完全被动系统无需外部能源即可稳定完成水分捕获与液态水生产循环，为缓解干旱和离网地区淡水短缺提供了可行方案。

论文信息：Yurui Liu, Jiepin Wang, Qing Li, Meijie Chen, Directional radiative cooling and solar heating-assisted atmospheric water harvesting for all-day water production. Journal of Colloid and Interface Science, 2026, 724: 141171.

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