定向辐射冷却与太阳能辅助大气集水技术，实现全天候水资源供应

《Journal of Colloid and Interface Science》：Directional radiative cooling and solar heating-assisted atmospheric water harvesting for all-day water production

　　摘要：大气水收集是一种颇具前景的淡水获取方法，但其整体产水量仍受限于低效的热量与质量管理以及不连续的水生成过程。本研究设计了一种集成光子学与界面工程的大气水收集系统，以提升全天候的水生成能力。夜间，通过热反射器辅助的双向垂直辐射冷却机制，实现吸附与凝结过程，从而收集露水。白天，定向太阳能加热促使吸附端发生解吸，而凝结端则通过定向辐射冷却使蒸汽凝结，进而实现基于吸附的水收集。该系统通过优化两端的垂直布局及间距，利用自然对流改善内部的热量与质量传递效率；同时，还设计了一种仿生异质润湿性凝结表面，以促进液滴的成核与脱落，实现全天候水收集。实验结果表明，该系统在户外条件下的日产水量为2.12千克/平方米，平均日收集量为1.74千克/平方米。这些数据表明，优化热量与质量传递机制对于构建高性能的大气水收集系统至关重要。

引言：水资源短缺是全球最紧迫且普遍存在的挑战之一，它影响着人类的生存与发展[1][2]。而大气中大约含有12,900立方公里的可再生淡水，以水蒸气形式存在，这无疑是一处尚未被充分开发的资源[3]。因此，从空气中提取水蒸气并将其转化为液态水的大气水收集技术越来越受到重视，尤其是在传统水源匮乏的干旱地区和偏远区域[4][5]。现有的大气水收集技术，包括基于吸附的系统[6][7]、露水收集技术[8][9][10]以及雾水收集技术[11][12]，都已展现出一定的技术可行性。此外，人们还开发了混合系统，以弥补单一大气水收集技术的不足[13][14][15]。总体而言，这些技术有望成为解决因缺乏大量液态水而导致的水资源短缺问题的有效途径。

大气水收集系统的整体淡水产量取决于两个相互关联的过程：水蒸气的吸附/解吸以及随后的蒸汽凝结。在吸附方面，人们研发出了诸如金属有机框架[16][17][18]和多孔聚合物[19][20]等先进吸附剂，它们凭借极高的比表面积和可调控的孔结构，提升了水蒸气的吸收能力。此外，具有高太阳吸收率的高性能太阳能热材料嵌入吸附剂中，可实现太阳能驱动下的解吸过程，从而减少对外部能源的依赖[21][22][23][24][25]。然而，尽管有这些吸附能力，由于热量与质量管理不善，实际的水收集速率仍然受到限制，表现为解吸效率低下以及蒸汽传递能力不足。

在凝结方面，界面工程与结构设计在液滴的成核、生长和脱落过程中起着关键作用[26][27]。以往的研究通过优化表面润湿性[28][29]和比表面积[30][31]，提升了凝结效率。不过，潜热散发受阻以及太阳辐射对凝结界面的加热问题，依然是亟待解决的瓶颈。传统的被动冷却方法，如自然空气对流[32][33]和散热鳍片[34]，无法有效抑制白天的太阳辐射加热，从而导致表面温度升高，蒸汽与表面的饱和压差减小，进而削弱凝结效果[35]。被动式白天辐射冷却技术则通过高太阳反射率有效抑制太阳辐射加热，同时借助高长波红外热辐射率，在长波红外波段将热量散发到寒冷的外太空，这一技术已被用于通过预冷提升凝结效率[37][38]，包括自适应辐射冷却技术[39]、垂直辐射冷却结构[40]以及选择性光谱设计[41]。

尤其是，将被动式白天辐射冷却技术与大气水收集系统相结合，近年来已实现了被动式露水收集、垂直双面凝结[9]，以及太阳能加热/辐射冷却相结合的混合系统[13]。然而，大多数现有设计将吸附、解吸和凝结视为独立或弱耦合的过程，导致水生成过程不连续，系统整体性能有限。为此，本研究提出了一种集成了定向辐射冷却、太阳能辅助吸附/解吸及凝结功能的协同式一体化大气水收集系统，旨在突破现有瓶颈，实现全天候水收集。通过结合光子学与界面工程，研究人员开发出一种具有优异水蒸气吸收能力的复合吸附剂（8小时内可吸收3.84千克/平方米的水蒸气），同时还设计了一种非选择性高太阳吸收率吸收剂（太阳吸收率高达0.984），可用于白天吸收太阳能；此外，该吸收剂在25摄氏度时的长波红外热辐射率高达0.961，适用于夜间辐射冷却。在凝结端，通过选择性光谱设计应用被动式白天辐射冷却技术，使得系统在25摄氏度时具有较高的太阳反射率（0.962）和长波红外热辐射率（0.920），从而实现全天候冷却。另外，还设计了一种异质润湿性凝结表面，以促进液滴的成核与脱落。实验结果表明，该系统在户外条件下的日产水量为2.12千克/平方米，平均日收集量为1.74千克/平方米，充分展现了其在干旱环境中实际应用的大气水收集潜力。

工作原理与系统设计：为充分利用来自外太空的太阳能与辐射冷却能量，如图1a所示，本研究设计了一种可实现全天候水收集的装置。该装置包含吸附/解吸端和凝结端。在吸附/解吸端，设计了一种具有高太阳吸收率和中红外热辐射率的非选择性太阳能吸收剂，用于白天吸收太阳能和夜间进行辐射冷却；同时，还使用了负载有吸湿盐类的水凝胶吸附剂，用于实现水蒸气的吸附过程。

结论：综上所述，本研究通过结合光子学与界面工程，开发出一种具备定向辐射冷却功能且能借助太阳能加热的大气水收集装置，可实现全天候水收集。在材料层面，该装置利用非选择性吸收剂（太阳吸收率为0.981，长波红外热辐射率为0.972）实现白天太阳能吸收与夜间辐射冷却功能，同时通过被动式白天辐射冷却层实现全天候冷却效果（太阳反射率为0.962，长波红外热辐射率为0.920）。此外，还使用了PAM@LiCl水凝胶作为吸附-解吸功能材料。

作者贡献声明：刘雨瑞负责原文撰写；王杰平负责数据整理；李庆负责监督、资源协调；陈美杰负责文本审阅与编辑、监督、资源协调、资金申请以及概念构思。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52576249）、湖南省科技创新计划（项目编号：2024RC3003）以及中南大学创新驱动研究计划（项目编号：2023CXQD012）的财政支持。

刘雨瑞|王杰平|李庆|陈美杰