第一作者：杨凯杰，潘婷婷
通讯作者：甘巧强教授，韩宇教授
通讯单位：阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）， 华南理工大学
论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50715-0
太阳能驱动的大气水提取（SAWE）是一种用于分散式淡水供应的可持续技术。然而，由于其周期性特征，大多数SAWE系统只能间歇性地产水，且复杂的设计要求或周期性手动操作阻碍了其广泛应用。本文提出了一种完全被动的SAWE系统，可在阳光下连续生产淡水。通过优化三维结构以促进自发传质和高效能量利用，该系统在1个太阳光照，90%相对湿度条件下，可持续生产0.65 L m
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² h
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¹的淡水，并且在相对湿度低至40%的干旱环境中也能正常运行。我们在沙特阿拉伯的图瓦进行了为期35天、跨越两个季节的系统实际性能测试。系统在夏季每天生产2.0–3.0 L m
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²的淡水，在秋季每天生产1.0–2.8 L m
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²的淡水，无需额外维护。利用大气水收集，我们成功展示了该系统在离网灌溉中的潜力。这种被动SAWE系统利用太阳能连续从空气中提取水分，用于饮用和灌溉，为解决能源、水和食品供应的相互关联挑战，特别是在偏远和缺水地区，提供了一个有前景的解决方案。
利用可再生能源进行淡水生产用于饮用以及灌溉，是满足日益增长的水、能源和食品需求的关键。大气水作为一种无处不在的自然资源，其储量估计是全球河流淡水总量的六倍。此外，由于全球变暖，其可用量预计将增加。SAWE已成为分散式淡水供应的极具前景的方法，特别适用于偏远和缺水地区。通常，SAWE系统使用吸湿剂从周围环境中捕捉水分。当吸湿剂达到饱和时，系统被密封并暴露在阳光下，以释放捕捉到的水。这一过程使得SAWE能够超越地理和气候限制，相比于其他被动的大气水提取技术（如雾水和露水收集），具有更广泛的适用性。
然而，以往的SAWE系统通常面临吸湿材料动力学缓慢的限制，每天只能进行一个吸附-解吸循环，即夜间捕捉水分，白天生产淡水。因此，这些系统的生产能力本质上受到吸湿剂吸附容量的限制。通过开发具有快速动力学的吸湿剂或吸附床，采用多循环系统可以克服这一限制。尽管已经取得了令人鼓舞的进展，但这项技术的广泛使用仍受到纳米材料高成本和原型放大难度的制约。此外，由于其周期性特征，这些系统在阳光下只能间歇性地生产水，转换循环需要主动系统或劳动密集型操作和辅助移动部件，从而导致能耗高且系统复杂。为了充分利用SAWE的巨大潜力，需要一个真正被动且可扩展的系统，能够高效地产生淡水，而无需劳动密集型的维护。
1. 提出了一种独立运行的SAWE系统，能够仅依靠阳光生产淡水且无需维护。该系统在1个光照， 90%相对湿度条件下生产淡水的速率为0.65 L m
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² h
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¹，并且在相对湿度低至40%的环境中也能持续运行。模拟结果表明该系统适用于大多数地区，尤其是太阳辐射丰富和湿度高的赤道地区，最高淡水生产潜力可达4.6 L m
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²每天。放大后的系统能在不同季节的天气条件下稳定运行，无需操作，达到约3.0 L m
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²每天的最佳水生产率。
2. 通过该系统收集的大气水成功用于
Brassica rapa
（小白菜）的离网灌溉，凸显了其在缺乏大型水源的地区进行现场离网灌溉的潜力。
图1a展示了所提出系统的设计，强调了其关键特征—传质桥（MTBs）结构。该结构由众多垂直排列的微通道组成，这些微通道中充满了用作液体吸附剂的盐溶液。根据温度分布（图1b-I），MTBs结构被分为两个功能区域：暴露在环境中的室温区域，用于连续大气水捕捉（图1a中的过程I），以及密封在腔室内的高温区域，用于淡水生成（图1a中的过程II-IV）。在运行过程中，室温区域捕捉大气水并将其储存在容器中。当系统受到阳光照射时，太阳能吸收器将光转化为热，并在高温区域生成浓缩蒸汽。释放的蒸汽在腔室壁上凝结，产生淡水。随着水生产的进行，储存在容器中捕获到的水蒸发至高温区域，确保蒸汽的连续高效生成。同时，高温区域的浓缩液体吸附剂通过扩散和对流被运输回室温区域，使其能够继续捕捉大气水（图1b-II）。通过将凝结的水滴引导至植物根部，该装置可以仅使用大气水进行离网灌溉（图1c）。
图1
系统设计以及工作原理。
由于光捕获微结构和碳纳米管（CNTs）的固有黑色特性，所得太阳能吸收器在湿态下的太阳能吸收率可达约96%（图2a）。由于其亲水性和交织的纤维结构（图2b），玻璃纤维膜（GFM）被用于制造MTBs。GFM能够快速运输水（图2c），在10分钟内将水提升至超过10厘米的高度，并在2小时后达到约27厘米的高度。值得注意的是，水的吸收量随着毛细上升高度线性增加（图2c）。如图2d所示，饱和的LiCl溶液可以在RH低至15%时捕捉水分子，并在RH增加到90%时其吸附容量达到约2.5
g
g
⁻
¹。此外，随着RH的降低，LiCl溶液捕捉的水分可以高效释放且无滞后现象。
图2
构建系统的材料表征。
在1日照条件下运行8小时，系统产生了约1.8 mL的淡水，同时从环境中捕获了约1.5 g的大气水（相对湿度为65%）。这相当于约0.22
L
m
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²
h
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¹
的水生产率（图3b）。在60%和70%相对湿度条件下，水生产率在初始阶段下降，但在80%和90%相对湿度的初始阶段增加。这一变化强调了系统对环境条件的适应性（图3c）。在免维护操作模式下，该系统在一年中超过一半的时间内是可行的，最高水生产率达到约0.56
L
m
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²
h
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¹（图3d）。并且该系统的免维护操作模式非常适合具有丰富太阳辐射和高湿度的赤道地区（图3e）。
图3
在可控环境下的性能评估。
为了验证所提出的SAWE系统在实际应用中的效果和实用性，我们制作了一个用于户外实验的大型系统（蒸发面积：13.5
cm
×
24
cm）（图4）。根据系统的投影面积，计算得出的水生产量约为2.9
L
m
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²
每天。
图4
户外性能评估。
来自SAWE系统的水被收集并储存以便于夜间进行滴灌，我们选择了小白菜作为代表植物进行种植（图5）。
图5
使用从空气中提取的水进行灌溉。
我们提出了一种经过合理设计的SAWE系统，旨在实现高性能的淡水生产和离网灌溉。与传统的大气水收集系统不同，所提出的原型消除了对复杂系统设计和繁重操作的需求。该设计的关键在于利用太阳能驱动的蒸发作用及其产生的浓度梯度，以促进MTBs结构中水分与吸附剂之间的自发平衡。该系统能够以离网和低维护的方式提取大气水，并直接供给植物，有望革新偏远和缺水地区的灌溉方式。
Yang, K., Pan, T., Ferhat, N.
et al.
A
solar-driven atmospheric water extractor for off-grid freshwater generation and
irrigation.
Nat Commun
15
, 6260 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50715-0
杨凯杰
，博士毕业于浙江大学，现为阿卜杜拉国王科技大学研究科学家。研究方向为光热水蒸发、空气水收集等，以第一作者身份在
Nat. Commun.
、
Environ. Sci. Technol.
等权威期刊发表论文十余篇。
潘婷婷
，博士毕业于阿卜杜拉国王科技大学，现为阿卜杜拉国王科技大学博士后，研究方向为气体吸附、光热水蒸发，以第一作者身份在
Nat. Commun.、JMCA
等期刊发表论文。
甘巧强
，阿卜杜拉国王科技大学材料科学系教授，Optica Fellow，获2019年度SUNY Chancellor’s Award for Excellence
in Scholarship & Creative Activities。担任多个学术兼职，包括IEEE
JSTQE主编，国际光电子领域顶级会议CLEO的2021年度Program Chair和2023年度General
Chair。研究方向包括：新型纳米材料的构建及其在能源-环境可持续领域的应用。以第一作者/通讯作者身份在
Nat. Sustain.、Nat. Commun.、 Sci. Adv.、 PNAS
等权威期刊发表SCI论文>150篇，引用>7000余次。
韩宇
，曾任阿卜杜拉国王科技大学化学系教授，现任华南理工大学电子显微中心主任，教育部长江学者（海外），研究方向包括：多孔材料的设计、构建，及其在催化、分离、能源转化与储存等领域的应用，超低剂量电子显微成像技术等。
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