AFM：太阳能驱动旋转集水连续制氢系统

论文信息：Li W, Bai Z, Xie M, et al. Solar-Powered Rotary Water Harvesting System for Continuous Hydrogen Generation. Adv. Funct. Mater. 2026, e77864.

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.77864

研究背景

全球能源转型背景下，氢能因其高能量密度和零碳排放特性被视为理想清洁能源。水电解制氢是实现绿氢生产的关键路径，但传统工艺高度依赖淡水与电力资源，且淡水制备往往伴随化石燃料消耗与额外碳足迹。大气中含有约12900立方千米水蒸气，通过吸附式大气集水（SAWH）技术提取空气中的水分作为电解水源，可打破制氢对液态淡水的地理依赖。现有SAWH装置多存在无法连续捕水、后续电解水制氢效率低下、气体纯度不足及难以连续收集等瓶颈。本工作提出一种太阳能驱动旋转式SAWH与电解池集成系统，利用吸湿多孔凝胶实现高效水捕获与光热脱附，结合Janus膜修饰电极促进气泡快速脱离，在户外条件下实现连续、高效的氢气生产。

研究内容

系统由模块化连续大气集水器与电解池两部分构成。集水器采用旋转双腔室设计，吸湿凝胶固定于电机驱动的旋转盘上，在吸附腔连续捕获水分，在脱附腔受阳光照射释放水蒸气并冷凝为液态水，重力驱动流向电解池。电解阴极采用覆有Janus膜的铜片，在Laplace压力与浮力共同作用下，氢气泡被快速吸附穿过疏水层并脱离活性位点，避免气泡覆盖导致的电极钝化，较裸铜电极显著提升电解效率。整套系统由太阳能板供电，实现从大气集水到电解制氢的全链条太阳能驱动。

图1基于吸附的大气水收集和H2生产的多功能系统。（a）基于吸附的大气水收集和H2生产的示意图。（b）连续电解从空气中捕获的水的电流和时间之间的关系，以及有和没有Janus膜的H2气泡的状态。

核心吸附材料为羟丙基甲基纤维素/海藻酸钠/氮化钛/氯化锂复合凝胶（HSN-Li）。HPMC与SA通过氢键形成稳定泡沫凝胶，提供互连多孔结构；LiCl作为吸湿盐提供高吸水容量；TiN纳米颗粒赋予优异光热转换能力。凝胶经90°C高温干燥制备，无需低温真空，适合规模化。SEM显示其内部为50–200 μm的互连孔道，EDS证实TiN与LiCl均匀分布，利于蒸汽传输与快速吸附/脱附。XRD与FT-IR表明LiCl与水分子形成水合络合物，TG-DSC显示吸附水中90%为非结合水，易于光热蒸发。

图2 HSN-Li凝胶的设计和表征。（a）HSN-Li凝胶的照片。（b）HSN-Li凝胶的SEM图像。（c）HSN-Li凝胶的能量色散光谱元素图谱。（d）在25℃和60%RH下吸附1小时前后各组分和HSN-Li凝胶的XRD图谱。（e）在25℃和60%RH下吸附1小时前后吸附剂的FT-IR图谱。（f）用热重和差示扫描量热仪测量HSN-Li凝胶释放水过程中的质量变化和热流曲线。

HSN-Li凝胶在25°C、60% RH下吸水率达2.62 g/g，20%–90% RH范围内均表现良好适应性。TiN的局域表面等离子体共振效应使凝胶在全太阳光谱吸收率达96%，1 Sun光照5分钟内表面升温至48°C，3 Sun下达83°C，显著强化脱附动力学。0.6 Sun照射150分钟内可脱附65%以上水分，延长有效工作时间。25次循环后吸附容量衰减不足5%，100次循环后保持81%，无盐泄漏，具备长期集水潜力。

图3 HSN-Li凝胶的吸水解吸性能。（a）太阳蒸发试验的实时监测平台。（b）不同RH下的最大吸水能力。（c）相同温度25℃和不同RH 40%、60%、80%和99%下的动态吸水过程。（d）HSN-Li凝胶的紫外-可见-近红外吸收光谱。（e）不同光照强度下12 min后HSN-Li凝胶的时间-温度曲线和3个太阳下的红外温度图。（f）不同太阳辐照强度下25℃、40%RH下HSN-Li凝胶的解吸过程。（g）HSN-Li凝胶的25次吸水和解吸测试。

旋转集水器实物包含吸附腔与脱附腔，面积比7:1，透明石英玻璃外壳提供大受光面积。模拟与实验表明，脱附腔内凝胶与冷凝器温差约30°C，驱动水蒸气有效冷凝，腔体相对湿度2小时内升至70%。户外测试中，系统产水量达1.55–2.1 L/kg/day，收集水质满足WHO饮用水标准。凝胶对玻璃、钢材等多种基底粘附力达7.2 kPa以上，确保旋转工况下的结构稳定性。

图4旋转式大气水收集器的性能。（a）旋转式大气水收集器的原理图。（b）解吸模式下解吸室的温度分布。（c）解吸模式下解吸室的水蒸气分布。（d）HSN-Li凝胶、冷凝器外表面和环境的温度演变。（e）解吸过程中HSN-Li凝胶的质量变化和冷凝器空气的RH变化。（f）收集水中可能的金属离子的检测浓度。（g）我们的旋转装置与报道的其他装置的性能比较。（h）HSN-Li凝胶在各种基材上的粘附性能。（i）HSN-Li凝胶与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）之间的粘附性测试

户外集成演示中，太阳能板为电池充电并驱动电机与电解。Janus膜经3D打印与疏水喷涂处理，接触角达150.2°，气泡在Laplace压力与浮力作用下快速穿透膜层并聚并上浮。哈尔滨户外实验中，系统产氢速率高达8.4 L/m²/h，法拉第效率92%，太阳能至氢能转换效率10.9%，产氢成本约5美元/kg。气相色谱显示氢气纯度99.9%，疏水膜稳定性超一周，气泡脱离过程伴随电流响应提升，证实接触面积释放效应。

图5用于制氢的大气集水和电解水的室外实验。（a）整个装置的物理图片。（b）阴极产生H2气泡。（c）Janus膜吸收H2气泡。（d）室外实验的温度和RH。（e）集水量和速率。（f，g）H2产量和时间之间的关系。（h）七个循环中的H2产量，每个循环持续24小时。（i）电流、H2收集和法拉第效率的示例记录。（j）疏水网格表面接触角的耐久性。

结论与展望

本工作开发了一种太阳能驱动旋转式大气集水与连续制氢一体化装置。HSN-Li凝胶凭借互连孔道、高LiCl负载与TiN光热转换实现高效吸脱附，旋转双腔设计突破传统SAWH无法连续的瓶颈。Janus膜电极通过单向导气机制消除气泡钝化，将产氢速率推至8.4 L/m²/h。系统在户外完全由太阳能供电，产水与产氢性能均具领先水平，且材料成本低廉。未来研究可聚焦于系统大规模阵列化、不同气候区的长期野外测试，以及吸附-脱附-电解多物理场的进一步优化，推动该技术在全球干旱地区的分布式绿氢生产中实际应用。

芯片散热（热辐射与微纳光子学）-投稿模板.docx