上海交通大学王如竹ITEWA创新团队2024年研究成果回顾
文摘
2025-01-06 12:08
山东
ITEWA (Innovative Team for Energy, Water & Air) 创新团队是由上海交通大学王如竹教授于2018年创建并领导的前沿科学问题研究团队，聚焦于能源转换与效率、水及空气处理等领域的前沿基础科学技术问题。通过学科交叉实现材料、器件和系统层面的整体解决方案，从而推动相关技术领域取得突破性进展。2018年成立以来至2024年底在Science、Joule、Energy & Environmental Science、Nature Review Materials、Nature Water、Nature Communications、Advanced Materials、Angewandte Chemie等国际著名期刊上发表近百篇高水平论文。2024年，ITEWA创新研究团队发表17篇跨学科交叉高水平期刊论文，涵盖空气取水、热泵、除湿、吸湿发电、辐射制冷、储热及热管理等研究方向。“能源学人”特此作一总结介绍。1. Nature Reviews Materials 封面论文：水蒸气吸附湿度能源的热力学及动力学分析简介：基于水蒸气吸附的湿气能源收集技术（MSEH）可以从无处不在的湿空气中获取热、冷和电，成为满足分散能源需求的有效方法，本文围绕可持续湿气能源的基本原理和热力学特征，首先介绍了实现产热、产冷和发电的工作原理，并总结了水蒸气吸附材料的最新进展，并深入探讨了从湿气中获取能源的能量转换机制、热力学过程及热力学循环。通过分析复杂多步吸附动力学过程，文章展望了构建有序跨尺度能量传递和物质输运结构加速水吸附-解吸的技术方向，并提供了提高功率密度的潜在策略。文章通过理论分析评估了全球不同气候地区的湿气能量获取潜力，明确了通过合理的材料设计和装置优化有望实现高效的热力学过程，以充分挖掘其热力学产能潜力，获得可观的能量输出。基于热力学和传热传质学分析，该文章为MSEH技术的未来发展指明了方向，包括如何开发新型的吸附剂、构建智能的能量收集系统、利用可再生热源和湿度波动驱动循环等。Jiaxing Xu, Pengfei Wang, Zhaoyuan Bai, Huhu Cheng, Ruzhu Wang*, Langti Qu*, Tingxian Li*. Sustainable moisture energy. Nat. Rev. Mater. 2024, 9, 722–737.https://doi.org/10.1038/s41578-023-00643-02. Nature Reviews Materials：提出吸附式空气取水材料设计的热力学理论框架简介：从热力学角度分析了用于空气取水的吸湿盐掺杂复合吸附剂中吸湿性盐、水和盐溶液之间的相互作用关系，建立了吸湿盐类型与含量、孔隙结构和基质承载能力等结构参数与最终材料性能之间的联系，总结性地提出了指导吸附剂吸附量、解吸焓、动力学和稳定性的理论设计框架，为空气取水及相关领域中吸附材料的设计提供统一验证与调控新方法。He Shan, Primož Poredoš, Zhihui Chen, Xinge Yang, Zhanyu Ye, Zhifeng Hu, Ruzhu Wang*, Swee Ching Tan*. Hygroscopic salt-embedded composite materials for sorption-based atmospheric water harvesting. Nat. Rev. Mater.2024. 9, 699–721.https://doi.org/10.1038/s41578-024-00721-x3. Nature Water：太阳能驱动的水凝胶空气取水材料助力温室水循环和再利用简介：全球正面临人口增长与水资源短缺的双重挑战，尤其是农业生产，占全球约70%的水资源消耗。因此，发展节水型农业方法成为解决水资源危机的关键。温室内高除湿需求使得吸附式空气取水技术具有巨大潜力。为此，本文提出一种TEAD创新装置，旨在优化温室内水资源的利用。该装置采用多组分互连结构，并结合吸湿多孔凝胶TCP-Li，具有优异的吸水能力（3.38 g g-1）和快速释放水分的特性。在温室的实际应用中，TEAD装置能够高效循环水分，且不会影响植物光合作用与生长。实验表明，TEAD每株植物可回收87.1克水，每平方米收集1890.6克水，节约了44.9%的灌溉用水量。该技术不仅为提高温室水资源利用效率提供了创新解决方案，也有望缓解全球水资源危机，减少农业用水浪费。Hao Zou, Xingge Yang, Jingling Zhu, Fan Wang, Ziya Zeng, Chengjie Xiang, Danfeng Huang*, Jun Li*, and Ruzhu Wang*. Solar-driven Scalable Hygroscopic Gel for Passive Plant Transpiration and Soil Evaporation Water Recycling. Nat Water 2024, 2, 663-673.https://doi.org/10.1038/s44221-024-00265-y简介：随着全球能源结构的革命性转型，以光伏为代表的可再生能源比重将不断提升，因此通过对于光伏系统的热管理实现光伏产电效率的提升成为了新的技术突破口。区别于常见的太阳能光伏/热（PV/T）技术，将吸附剂热管理模块引入光伏系统成为了最新研究热点。这种技术日间借助光伏组件废热解吸并提供制冷量实现热管理，从而有效降低光伏组件温度同时生产清洁用水。该论文从材料学、工程学等不同层次分析了光伏-吸附剂复合系统的潜力与挑战，提出了此类系统的分析优化框架与地外行星探索等不同的潜在应用场景。Zhao Shao, Primož Poredoš, Ruzhu Wang*. Photovoltaic-sorbent system for water and electricity generation. Joule2024, 8, 280-286.https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.01.0065. Energy & Environmental Science：太阳能吸附热池实现多能转化与调控，满足低碳建筑近零能耗昼夜供暖需求简介：论文提出一种将高能量密度吸附储热与自然循环特朗勃墙原理相结合的吸附储热太阳墙概念，通过吸附热池的水蒸气解吸过程将太阳能热能有效转化为吸附势能进行储存，再通过吸附热池的水蒸气吸附过程将吸附势能转化为可利用的热能，实现热能的高效储存与释放。论文从材料层面出发在多孔纤维基体中进行可控的盐基与纳米碳掺杂，以获得具有良好热力学与动力学特征的材料基础，并在解决系统结构适配性问题时巧妙融入太阳能建筑烟囱效应的设计思想，进而构建出近零能耗运行且高效一体化集成的吸附储热太阳墙装置，可实现1.97 kW·m-3的放热功率密度，64.8%的整体热效率，0.87 kWht kWhc-1的能量利用系数，且能耗系数比采用纯电加热供暖方式降低了54.2%，有效验证了该装置实现昼夜供暖及低碳节能的效果。Ziya Zeng, Xinge Yang, Bingchen Zhao, Zhihui Chen, Kian Jon Ernest Chua, and Ruzhu Wang*, A scalable solar-based adsorption thermal battery for day and night heating in low-carbon scenario, Energy Environ. Sci.2024, 17, 800-812.https://doi.org/10.1039/D3EE03519K6. Energy & Environmental Science：热能增量与能质灵活调控的热泵-相变储热耦合技术简介：热能存储是最具应用前景的规模化储能技术之一。储热与电热转换技术相结合是实现可再生能源规模化利用的重要途径。然而，在热能转换、存储、利用过程中，由于不可逆损失等原因会造成能量品位和总量的下降。本文探讨了热泵-相变储热耦合技术在电网调峰及灵活匹配用户负荷中的应用潜力，归纳了热泵和相变储热耦合的意义与双边优势，重点介绍了其耦合原理和多样化技术路径的研究进展，剖析了其在未来规模化热能存储与转换利用中的发展前景和所面临的挑战。从储热角度出发，热泵提升电-热转化和存储过程中的热能品位和热能总量，促进热能梯级利用；从热泵角度出发，潜热存储提高热泵制热效率、维持热泵高效稳定运行、降低热泵用电成本。热泵-相变储热耦合技术在热能增量和能质灵活调控上的优势，可有效解决规模化储能技术面临的瓶颈问题，助力全球能源的可持续发展。Baoshan Xie, Shuai Du, Ruzhu Wang*, Xiaoxue Kou, Jiatong Jiang, Chuanchang Li. Heat pump integrated with latent heat energy storage. Energy Environ. Sci. 2024, 17, 6943–6973.https://doi.org/10.1039/D4EE02350A
7. Energy & Environmental Science：基于热泵技术构建多尺度、可持续的热能利用框架简介：随着可再生能源的加速部署和终端用能的电气化，全球热泵市场正迅速扩大。热泵在供热的同时还产生制冷效果，有效利用热泵的制冷负荷变得同样重要。然而，冷热负荷在时间和空间上分布不均匀，为最大程度地发挥热泵在供热和制冷方面的双重功能，要求对热泵的应用进行精密规划和部署。本文探讨了热泵技术在全球供热和制冷中的可持续应用潜力；从设备层面、多部门协同层面、工业层面归纳并提出了热泵技术的多尺度利用策略，并重点介绍了跨学科研究方法和运营模式调整方案，促进热能利用重构；进一步讨论了涉及热泵应用的各个利益相关方，以及运营模式的过渡和协调问题，指出了自下而上模式的局限性，建议由政府部门推动自上而下介入来实现热泵规模化应用；最后提出后续研究应充分考虑社会、环境以及能源和碳交易价格等因素的变化，进一步将热泵潜力的最大化嵌入到脱碳路径框架中。Hongzhi Yan, Marcel Ulrich Ahrens, Edgar Hertwich,* Trygve Magne Eikevik*, Ruzhu Wang*. Heat pumps as a sustainable bridge for global heating and cooling at multi-scale. Energy Environ. Sci., 2024, 17:2081–2087.https://doi.org/10.1039/D3EE04246D8. Energy & Environmental Science：提出辐射制冷热集中策略，实现制冷功率超过千瓦每平米简介：提出了一种基于辐射制冷热聚焦的新策略，利用热源与辐射制冷表面显著的面积差，将较小面积热源产生的集中热量通过高导热材料传导到具有辐射制冷功能的基板上，最终辐射散热到外太空中。这种不对称设计的辐射制冷集中器，利用热传导-热辐射的两步传热过程，实现了原本低辐射冷却功率的集中，制冷功率密度首次突破千瓦每平方米，成为被动制冷领域的重要突破。Primož Poredoš, He Shan, Chenxi Wang, Zhihui Chen, Zhao Shao, Fangfang Deng, Haoran Liu, Jiaqi Yu and Ruzhu Wang*. Radiative Sky Cooling Thermal Concentration with Cooling Power Exceeding One kW Per Square Meter. Energy Environ. Sci. 2024, 17, 2336-2355.https://doi.org/10.1039/D3EE03214K9. Energy & Environmental Science：冷/热调控吸附/解吸行为实现高产率空气取水简介：MOF空气取水是缓解水危机的新兴解决方案，目前所报道的MOF取水器产率难以满足实际需求。论文提出通过薄涂层提高吸附动力学、金属支撑换热器强化传热过程、内冷/热源增加吸附/解吸驱动力的空气取水方法，据此制备了MOF涂层吸附器用于连续式多循环空气取水。实现百克级MOF吸附器饱和吸附时间缩短至分钟级，通过连续式切换提升循环产水量，回收吸附冷量用于降低吸附剂再生温度。在60°C以内的热源驱动下，实现产水量提升至7.7-22.8 L/kg/d (10–35 °C, 20–80%RH)。户外实验验证了空气取水模式的优越性，在最低值26%RH的环境下，实际产生990 mL水，对应产水量为9.9 L/kg/d，验证了冷/热调控吸附/解吸行为实现高产率空气取水方法的有效性。Yaohui Feng, Lurong Ge, Yao Zhao, Qian Li, Ruzhu Wang, Tianshu Ge*. Active MOF water harvester with extraordinary productivity enabled by cooling-enhanced sorption. Energy Environ. Sci.2024, 17, 1083-1094.https://doi.org/10.1039/D3EE03134A10. Energy & Environmental Science封面文章：辐射致冷辅助强化冷凝的全天空气取水简介：提出了基于自然阳光和辐射致冷耦合驱动的全天空气产水策略，构建了基于辐射致冷和空气冷却的级联式冷凝空气取水装置。首次开发出一种全新的混合空气取水设备，集成了白天辐射冷却增强的吸附式空气取水和夜间辐射冷却驱动的空气直接凝结式取水。为了实现紧凑化设计，引入了透射型辐射冷却薄膜到一体化的空气取水装置中，通过逐层组装实现在同一物理占地面积下的太阳能收集和辐射冷却。该方法显著提高了吸附式空气取水技术的产水能力，并通过夜间辐射冷却额外收集露水，使得这种全新的混合式空气取水器展现出高达3.6 L/m2的日产水能力。该工作克服了传统吸附式空气取水设备的能量利用效率低的缺点，实现了节能高效的水生产，为高效空气取水器件的设计构建提供新的思路，为全天候高产水量的空气取水提供了一种节能低碳新方法。Jiaxing Xu, Xiangyan Huo, Taisen Yan, Pengfei Wang, Zhaoyuan Bai, Jingwei Chao, Ronggui Yang*, Ruzhu Wang* and Tingxian Li*. Energy Environ. Sci.2024, 17, 4988-5001.https://doi.org/10.1039/d3ee04363k11. Nature Communications：基于互连多孔吸湿凝胶的全可再生能源驱动的高效连续式空气取水简介：吸附式空气取水技术因其高的区域适用性和大气中丰富的水储量受到广泛关注。针对目前该领域吸附剂吸附动力学缓慢和装置冷凝效率低两大技术难点，上海交通大学ITEWA团队提出具有低传质阻力的互连多孔吸湿凝胶的可放大合成策略以及通过聚光提高解吸温度实现能效升级。采用物理发泡方法设计制备了孔隙率高达87.6%的互连多孔吸湿凝胶，水蒸气在吸附剂内部的传输几乎呈直线进行，使得材料具有超快速的吸附-解吸动力学。通过对空气取水器传热传质的协同强化，设计并搭建了光-风联合驱动的连续式太阳能空气取水装置，通过采用聚光器提高吸附剂的解吸温度，该装置在4个太阳条件下展现出高达25.7%的能量利用效率，在户外实际测试中展现出高达3.5~8.9 Lwater m-2 day-1的日产水量。该工作有望为干旱离网地区的清洁可持续水供应提供材料和器件设计等方面的新思路。Xinge Yang, Zhihui Chen, Chengjie Xiang*, He Shan, Ruzhu Wang*. Enhanced continuous atmospheric water harvesting with scalable hygroscopic gel driven by natural sunlight and wind. Nat. Commun.2024, 15, 7678.https://doi.org/10.1038/s41467-024-52137-412. Nature Communications：辐射制冷辅助的自维持高效湿气发电器件简介：从无处不在的水蒸气中收集能量是缓解能源危机的一条有效途径。近年来，借助功能化纳米材料的自发湿气吸附，湿气发电技术可以直接将水分子状态转变的化学势能转化为电能，得到学界内广泛关注。然而，吸附过程中梯度驱动力减弱和电流衰减仍旧是制约规模化湿气发电部署的瓶颈难题，如何在复杂环境波动中维持材料内部持续稳定的水/离子流动是实现自维持高效湿气发电的关键。为此研究团队从热力学与动力学角度提出实现材料内部水分“吸附-传输-蒸发”动态平衡的设计策略，构建了可通过辐射制冷调控太阳辐射和环境温度实现高效稳定湿气发电的新器件，单一器件（1 cm2）可输出~0.88 V的开路电压和~306 μA的短路电流，最大输出功率密度达51 μW·cm−2。同时，在顶层辐射制冷对环境的辅助调控下，该器件可有效避免环境波动对电力输出的影响，在为期6天的连续户外测试中，表现出自维持和高效的功率输出。相关研究为推动规模化湿气发电部署提供了新策略，在建筑节能、自供电可穿戴设备等方面展现出巨大应用前景。Chenyue Guo, Huajie Tang, Pengfei Wang, Qihao Xu, Haodan Pan, Xinyu Zhao, Fan Fan, Tingxian Li*, Dongliang Zhao*. Radiative cooling assisted self-sustaining and highly efficient moisture energy harvesting. Nat. Commun.2024, 15, 6100.https://doi.org/10.1038/s41467-024-50396-913. Nature Communications：基于热增压强化的多级太阳能膜蒸馏策略，提升海水淡化产率简介：通过理论计算揭示了通过温度提升来提高蒸汽压差的热增压物理机制，以及热增压对蒸发-冷凝间蒸汽通量的提升作用。提出了基于热增压强化的多级太阳能膜蒸馏策略，通过在蒸馏装置末端利用低温热源进行加热，从而提升系统整体的运行温度和蒸发-冷凝蒸汽压差，实现更高的蒸汽通量。研究成果为新型的高效、紧凑膜蒸馏器件提供了新的设计思路，在实现低成本海水淡化方面具有巨大潜力。Primož Poredoš, Jintong Gao, He Shan, Jie Yu, Zhao Shao, Zhenyuan Xu*, Ruzhu Wang*. Ultra-high freshwater production in multistage solar membrane distillation via waste heat injection to condenser. Nat. Commun.2024, 15, 7890.https://doi.org/10.1038/s41467-024-51880-y14. Advanced Materials：受空气凤梨启发的超高效温敏吸湿纳米纤维用于太阳能空气取水简介：吸附式空气取水作为一种无需外界输入电力、离网运行的灵活淡水获取方法，引起了学术界广泛的关注。然而吸附剂的高解吸温度、低动力学以及高能耗的解吸-冷凝取水热力循环制约了取水效率。受到空气凤梨的启发，研发了一种温敏纳米纤维吸附剂，它可以将空气中的水蒸气直接吸附，并在升温至40 °C时以液态水直接挤出，避免了水经历“气化-液化”造成的能量浪费。这种材料在相对湿度15%、30%和60%下分别达到了0.43、0.89和1.48g g-1的吸附量。此外，温敏纤维展示出了出色的动力学特性，在干旱工况下，能在2小时内吸附至饱和，并在自然阳光的照射下在5分钟内渗出液态水。这项研究为设计用于太阳能空气取水的高性能复合材料提供了新的见解。Jiayun Wang*, Wenjun Ying, Bowen Lin, Chunfeng Li, Chaohe Deng, Hua Zhang, Shige Wang*, Ruzhu Wang*. Tillandsia-Inspired Ultra-Efficient Thermo-Responsive Hygroscopic Nanofibers for Solar-Driven Atmospheric Water Harvesting. Adv. Mater. 2024, 2408977.https://doi.org/10.1002/adma.20240897715. Advanced Materials：基于结构化光热储能超疏水表面的先进防结冰技术简介：结冰，是一类常见的相变现象，广泛存在于日常生活和工业过程中，但其每年都会对能源动力、航空航海、基础设施等领域带来巨大的经济损失，造成严重的安全威胁。超疏水表面被动式防结冰技术因其低耗能、高效率、环境友好的优点展现巨大潜力。论文围绕超疏水表面防结冰技术，介绍了超疏水表面的防冰原理，讨论了超疏水表面在实际场景中的优缺点，回顾了当前发展的结构化超疏水表面和光热超疏水表面两类表面防冰的局限性。结合研究团队最新研究成果，将超疏水材料、光热材料和相变材料集成于同一表面，提出结构化光热储能超疏水（MPSS）表面的设计策略，有效提升表面的全天防冰能力，并对MPSS表面的未来发展进行了展望。Fuqaing Chu, Zhifeng Hu, Yanhui Feng*, Nianchu Lai, Xiaomin Wu* and Ruzhu Wang*. Advanced Anti-Icing Strategies and Technologies by Macrostructured Photothermal Storage Superhydrophobic Surfaces. Adv. Mater.2024, 2402897.https://doi.org/10.1002/adma.20240289716. Advanced Energy Materials封面论文：构建双功能相变材料调节自宇宙冷能以实现全天候可持续冷却简介：目前，能源短缺促使人们寻求降低能耗的途径，其中建筑制冷降能耗为重要关注点。近零能耗辐射制冷从宇宙中获取冷能，但受气候条件影响，存在白天功率密度低、供冷不稳定、供需不匹配等问题。目前研究多集中于通过调整材料内部结构提升光谱调节能力，但已接近调节极限。本研究引入双功能相变材料，将夜间冗余冷能转移至白天，弥补白天功率不足，实现与建筑制冷需求的时空匹配，通过能质调节手段解决辐射制冷固有问题。通过选择合适相变温度的相变材料并涂覆辐射制冷涂层，利用相变材料的储释能特性，辐射制冷设备整体功率实现了功率限制的突破 (~180 W m-2) 和创纪录的亚环境温降 (~11.92 ℃)。本研究为改善辐射制冷性能和解决其固有问题提供了新思路。Siqi Wang, Minqiang Wu, Han Han, Ruxue Du, Zhengchuang Zhao, Wenjia Liu, Si Wu, Ruzhu Wang, Tingxian Li*. Regulating cold energy from the universe by bifunctional phase change materials for sustainable cooling. Adv. Energy Mater. 2024, 14, 2402667.https://doi.org/10.1002/aenm.20240266717. Matter：易合成的疏水型低能耗直接空气碳捕集结构化吸附剂简介：将材料制成结构化吸附剂是提高直接空气碳捕集效率的关键策略。本工作通过将疏水性聚苯乙烯-丁二烯-聚苯乙烯（SBS）用作粘合剂，将聚乙烯亚胺（PEI）介孔多孔泡沫（MCF）涂覆在陶瓷纤维蜂窝，合成了具有低压降、高传热传质性能的结构化吸附剂。该策略不仅使粉末稳定均匀地附着在蜂窝上，还保持了有利于CO2扩散的多孔性。在400 ppm CO2条件下，材料的吸附容量达到2.33 mmol/g。通过蒸汽吹扫和加速稳定性实验验证，SBS赋予了结构化吸附剂良好的热水稳定性。此外，在经历100个循环后，其仍保持稳定，并在吹气条件下保持机械强度。蒸汽辅助温度真空摆动吸附（S-TVSA）过程的模拟表明其具有高达5.60 mol/kg/day的CO2产率和0.196 MJ/mol的低能耗。此外，该材料具有低成本和简单合成的特点，可有效推动直接空气捕集技术的部署并展现良好的应用潜力。Junye Wu, Yanlin Chen, Yifei Xu, Siyu Chen, Haotian Lv, Zhuozhen Gan, Xuancan Zhu, Ruzhu Wang, Chi-Hwa Wang, Tianshu Ge*. Facile synthesis of structured adsorbent with enhanced hydrophobicity and low energy consumption for CO2 capture from the air. Matter2024, 7, 123-139.https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.10.019.王如竹，上海交通大学讲席教授，制冷与低温工程研究所所长，教育部太阳能发电及制冷工程研究中心主任，入选多个国家级人才计划，是国家自然科学基金委创新群体和重大项目负责人。他是制冷、热泵与热湿调控专家，在低品位热能高效转换、存储及利用方面取得了系统性的创新成就。作为第一完成人获得了国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖和国家科技进步二等奖，并获得何梁何利基金科学与技术创新奖。个人曾获得国际制冷学会最高学术奖Gustav Lorentzen Medal、国际能源署Rittinger International Heat Pump Award、国际吸收/吸附热泵Georg Alefeld Memorial Award、日本传热学会Nukiyama Memorial Award和英国制冷学会J&E Hall Gold Medal等多项国际学术成就奖。2023年获“全球能源奖”（Global Energy Prize），是获得该奖项的首位中国籍学者。王如竹教授任Energy主编、International Journal of Refrigeration副编辑等。荣获国家级教学名师、全国模范教师、全国五一劳动奖章和全国先进工作者等荣誉，他培养出的博士中有2位入选杰青、1位入选长江、1位入选青长。
