大气中储存的水量大约是世界上所有淡水河流总量的六倍，但一直难以被有效利用。辐射冷却提供了一种无需电力的方法，可以帮助物体表面提前达到露点温度，使其成为大气水收集（AWH）的理想选择。这技术利用材料向太空自然发射中红外辐射（特别是在8-13 μm范围），在无需任何外部能源的条件下使表面冷却到露点以下，从而使水蒸汽从大气中凝结。然而，辐射冷却有两个主要限制。首先，传统的面向天空的设置通常只能达到100-150 W m⁻²的相对较低的冷却功率。其次，水滴往往会粘附在表面上，导致大量凝结露水无法被收集。![]()
为了解决这些问题，KAUST甘巧强教授及其研究团队和合作伙伴开发了一种垂直双面结构，有效地将局部冷却功率密度提高了一倍，并在冷凝器一侧应用了润滑表面（LS）涂层。该涂层大大降低了水滴在接触表面的粘附，通过重力驱动而有效地收集冷凝水。户外测试表明，这一系统在真实环境条件下表现良好，水收集率为21 g m⁻² h⁻¹，是同样环境下超疏水表面的两倍。室内测试中，我们也观察到了相同的优异性能。更重要的是，LS涂层达到了高达90%的水滴收集效率。在相同条件下，超疏水表面凝结了相似量的水，但水滴几乎无法被收集。
这项工作已在《先进材料》期刊线上发表，标题为“Lubricated surface in a vertical double-sided architecture for radiative cooling and atmospheric water harvesting”。合作组包括KAUST机械系的Dan Daniel教授和UPenn材料科学系的Shu Yang教授。
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结果
图1展示了垂直双面系统的设计。中央发射器由一层约0.2毫米厚的PDMS层和一块0.4毫米厚的铝板组成，铝板垂直放置在一个聚苯乙烯泡沫框架内。铝板的另一侧是冷凝器，它也有一层PDMS，但这层PDMS已经膨胀，并涂覆了硅油（η = 10 cP），称为LS涂层。在中央发射器/冷凝器的两侧，各有两个以45度角布置的铝镜，形成V形。这些镜子在中红外范围（4-20 μm）内具有接近1的高反射率，用于将热辐射重新定向到天空中。为了减少发射器侧的对流热增益和露水形成，使用透明绝缘聚乙烯（PE）薄膜密封表面。相比之下，冷凝器侧暴露于环境湿润空气和自然气流中。图1b显示了带有30×30 cm²冷凝器/发射器表面的AWH装置的照片，而图1c提供了冷凝器表面上凝结水的特写视图。
PDMS层在中红外区域具有高发射率（ε），与大气透明窗口8-13 μm相匹配。大气透过率受到可降水蒸气（PWV）的影响，PWV是指如果大气柱中的所有水蒸气都凝结，会形成的水深。PWV在干燥区域从1到10毫米不等，在湿润区域则超过30毫米。
我们计算了垂直双面结构和面向天空系统在理想条件下的冷却功率，假设发射器温度等于环境温度且没有空气流动（即零对流热损失和Pnonrad = 0）。我们的垂直结构在干燥条件下和湿润条件下的冷却效率均为面向天空系统的两倍。
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图1. 我们的大气水收集（AWH）装置设计。（a）垂直双面结构中，辐射冷却器一侧集成润滑表面（LS）涂层的示意图。（b）AWH装置的照片，展示了在辐射冷却器一侧的LS涂层。（c）冷凝器表面（30×30 cm²）上露水形成的特写照片。（d）PDMS发射器的实验发射率（蓝线）和大气发射率（灰线）对于两种不同的可降水蒸气（PWV）值，分别为1毫米和33毫米。（e）数值模拟结果显示，我们的垂直结构（红色）在PWV = 1毫米和33毫米条件下的冷却功率几乎是传统面向天空结构（蓝色）的两倍。我们在一年内进行了六次户外测试，以展示我们的大气水收集（AWH）系统及其被动重力驱动水收集的有效性。这些测试在沙特阿拉伯的图瓦（Thuwal）进行，使用30×30 cm²的样本，在真实条件下进行，没有人工湿润空气流动，完全依靠辐射冷却。图2总结了其中一次测试的结果，该测试于2024年4月23日00:00至07:00进行。为进行对比，我们使用了市售的超疏水表面（Glaco Mirror Coat Zero, Soft 99 Co.）作为对照。在整个测试过程中，润滑表面和超疏水表面的温度均保持在露点以下，持续了整整7小时。实验开始时，即00:00时，润滑表面上的凝结立即开始。30分钟内，形成了毫米级的水滴，这些水滴足够重，可以克服粘附力。在整个测试过程中，我们观察到这些水滴迅速通过重力脱落，留下了清晰的痕迹，这些痕迹在02:00、04:00甚至07:00（太阳升起后）拍摄的快照中均可见。这表明，在近7小时内，包括白天的第一个小时，LS涂层上的凝结水滴被重力驱动进行持续的被动收集。![]()
图2. 润滑表面在户外测试中的被动水收集（2024年4月23日，00:00-07:00）。(a) 由于辐射冷却，超疏水表面和润滑表面（蓝线和红线）的温度均低于环境温度（深灰色）和露点温度（浅灰色）。(b) 风速和相对湿度数据。(c) 快照显示了露水形成和由重力驱动的凝结水滴的被动收集（见支持视频1）。(d) 特写镜头显示了毫米级水滴通过重力脱落，从而实现被动收集。(e) 在超疏水表面，凝结水滴保持在亚毫米级，几乎没有平面内的重力脱落（见支持视频2）。(f) 相反，亚毫米级水滴可以跳出平面，如侧视快照中所示，间隔1毫秒。请注意，(d) 和 (f) 中的图像为室内拍摄，以获得更好的光线，但在户外实验中也会出现相同的现象。为了更好地评估我们的LS涂层在大气水收集（AWH）中的表现，我们在室内进行了测试，环境温度为20°C，相对湿度为80-85%（图3）。辐射冷却通过将黑色铝板浸入液氮中作为冷源来实现。我们对三种不同的表面进行了1小时的辐射冷却实验，包括原始PDMS、超疏水表面和LS涂层。我们发现LS涂层的总凝结率最高，达到51 g m² h⁻¹，接近理论上限59 g m² h⁻¹，显著高于原始PDMS和超疏水表面的38 g m² h⁻¹和40 g m² h⁻¹。更令人印象深刻的是，LS涂层的总凝结水中有多达90%被被动地收集到收集托盘中。相比之下，PDMS和超疏水表面几乎没有水被收集到。我们清楚地观察到润滑表面的凝结水滴通过重力脱落，而PDMS和超疏水表面则没有这种现象（见图3b中的插图）图3. 室内测试中不同表面短期水收集率（辐射冷却）。(a) 使用液氮作为冷源，并将湿润空气注入实验室。移除了其中一个镜子，以便拍摄凝结过程。(b) 三种表面（水滴生成表面、超疏水表面和润滑表面）的水凝结和收集率。虚线表示凝结率的理论上限。由于长时间使用液氮不切实际，我们进行了额外的室内测试，以通过使用冷却器将表面温度降至15°C来评估LS涂层的长期性能（图4a）。我们观察到，与PDMS和超疏水表面相比，LS涂层上的水滴重力脱落明显更多（图4b-d）。定量分析显示，在不同的相对湿度水平（72-92%）和不同的运行时间（1小时或5小时，见图4e-f）下，LS涂层收集的水量都超过了其他两种表面。为了进一步评估LS涂层的长期性能，我们在六个5小时的循环中测量了其水收集率。结果表明性能没有显著下降。通过监测每个循环后LS涂层的质量，我们估计润滑剂的流失率约为4 μg cm⁻² h⁻¹。考虑到总润滑剂的负载为3 mg cm⁻²，我们预测LS涂层的操作寿命约为750小时。图4. 室内测试中不同表面的长期水收集率（冷却器）。(a) 实验装置示意图，我们使用冷却器对不同表面进行降温。(b-d) 分别为原始PDMS、超疏水表面和润滑表面冷却1小时后的凝结水滴照片。(e) 三种表面在相对湿度为72%、82%和92%时的水收集率（1小时运行）。(f) 三种表面在连续5小时运行中的水收集率。(g) 经过6个连续5小时的运行后，水收集率保持不变。KAUST甘巧强教授团队展示了将垂直双面结构与润滑表面涂层相结合，能够在不同的环境温度、湿度水平和风速下，实现强效的辐射冷却和大气水收集性能。他们明确证明了润滑表面相对于超疏水表面的优越性能，特别是在较低湿度水平和水分凝结/收集间歇性发生时，这在现实的户外条件中尤为常见。本研究提供了一种有前景的策略，通过利用大气中的水分而无需额外能源，来缓解淡水供应减少的影响。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
