随着气候平均状态随时间的变化和人口增长，水和粮食资源的供需不均衡问题日渐严重。尤其是在城市地区，对水资源和粮食资源的需求尤为迫切。传统依赖供应链输送粮食以及通过管道输送水的方式不仅带来了高碳排放和能源消耗，而且长供应链也增加了人类生存必需品供应的安全风险。屋顶农业、热泵空调等现有建筑设施与辐射制冷、空气取水、彩色光伏等新技术整合存在广泛前景，将促进城市的安全与可持续发展。研究团队曾于2023年发表展望文章10.1016/j.energy.2023.129009)，探索了上述技术整合的各种可能性及其潜力。

　　为了推进空气取水与屋顶农业耦合的实际落地，上海交通大学王如竹教授领衔的“能源-空气-水”交叉学科创新团队ITEWA（Innovation Team for Energy, Water & Air）与新加坡国立大学的Swee Ching Tan教授团队合作，提出了一种将余热与太阳能耦合驱动的空气取水技术与屋顶精准农业整合的新方法。他们针对材料动力学特性、部署位置的气候特点以及植物生长特性，进行了材料与工程交叉学科的优化，并制作了全自动化大气水源灌溉屋顶农场。最终，在不需要外部水输入的情况下，该系统在14天内实现了879.9 g/m²的水产量和1.28 kg/m²的食物产量。这为在城市中实现粮食与水的分布式共同收获以及城市可持续发展提供了一条新路线。这项研究成果以题为“Integrating Rooftop Agriculture and Atmospheric Water Harvesting for Water-Food Production Based on Hygroscopic Manganese Complex”的文章发表于《Advanced Functional Materials》上。论文第一作者为上海交通大学-新加坡国立大学联合培养博士生山訸，通讯作者为王如竹教授和Swee Ching Tan教授。

　　面向大规模低成本制备以及中高湿度下的快速动力学设计，研究团队开发了一种由锰（II）-乙醇胺复合吸湿络合物和多孔聚乙烯醇缩醛泡沫基质组成的吸附材料。锰（II）-乙醇胺复合吸湿络合物，具有与生物生长的相容性，且与其他可络合的过渡金属元素相比具有更低成本和更高的吸附能力。聚乙烯醇缩醛泡沫中存在超大开放孔道-壁面小孔道以及褶皱，减弱了材料内部扩散阻力，促进了水蒸气的输运与吸附。最终复合材料在50-90% 相对湿度下实现了0.45-2.54 g g-1的吸附量，且中高湿度下实现水吸附量的跃升，适合昼夜温差变化大的干旱地区或者全天中高湿度的半湿润地区。此外，材料吸附动力学达到0.0235 g g-1 min-1，吸附平衡可在240分钟内完成，适宜于多吸附-解吸循环的构建。

　　图1展示了吸附材料的合成和表征过程。通过FTIR光谱和XPS分析，确认了MnC的成功合成及其在PVF基质上的均匀分布。这种材料的SEM图像显示其拥有非常良好的孔隙结构，有助于高效的水分传递和吸附反应。

　　吸湿复合材料放大后的尺寸效应长期影响装置级吸附性能。经过传质阻力网络分析得出，材料内部扩散阻力是影响整体传质性能的关键。而该研究利用聚乙烯醇缩醛泡沫存在的梯级孔道，有效实现了材料内部扩散阻力的削弱，所产生材料的尺寸效应不明显，保障了利用实验室数据对材料在设备中表现来优化的可行性。此外，利用研究团队前期提出的太阳能-余热耦合驱动的解吸模式，探究了装置级放大化材料在单独光热解吸、空间加热解吸以及余热-太阳能耦合界面解吸三种条件下的水释放性能，为后续材料在户外复杂多样气候环境下实现稳定性能提供设计保障。

　　图2展示了材料的孔隙结构和吸附性能优化。PVF基质的层级多孔结构不仅增强了材料的光热脱附能力，还通过提供大表面积明显提高了吸附效率。在不同湿度条件下的动态吸附实验表明，PVF-PPy-MnC在70%相对湿度下的吸附速率明显高于单一MnC，显示出更快的水分平衡吸附能力。

　　图3展示了毫克级和大规模样品的吸附和脱附评估。研究首先通过动态蒸汽吸附（DVS）测试了毫克级PVF-PPy-MnC样品在50%、70%和90%相对湿度（RH）下的动态吸附曲线，理论动力学曲线与实验数据非常吻合。然后在恒温恒湿箱中测试了大规模样品，结果显示两者的吸附速率相似，高分辨率光学显微镜图像揭示了吸附过程的三个阶段：孔表面的吸附、扩散和最终饱和。水吸附等温线°C下拥有非常良好的吸附性能，UV-Vis-NIR光谱显示掺杂PPy后光吸收明显地增强。温度上升曲线和动态水释放曲线进一步验证了材料在不同光强下的性能。最后，动态脱附曲线显示材料在不一样的温度和恒定蒸汽压条件下的脱附量，根据结果得出材料在初始一小时内具有较高的脱附效率。

　　该研究展示了所搭建的户外全自动运行空气水源灌溉屋顶农场。该装置利用太阳能光伏板和电池供电，采用Arduino Nano微控制器和电机实现无人看守水释放与捕获模式的切换，并设置了自动控制系统对吸附解吸时长进行精准调控。这些系统确保了在14天长时间无人看管户外实验中，高效且稳定的水分获取，最终在14天内实现了879.9克/平方米的水产量和1.28千克/平方米的食物产量，证明了技术耦合的可行性。

　　图4展示了AWH灌溉屋顶农场的户外演示。研究团队在实际建筑屋顶上安装了AWH灌溉的屋顶农场装置，并进行了为期14天的户外实验。装置利用太阳能光伏板和电池供电，确保系统在全天候条件下稳定运行。

　　该研究致力于弥合实验室材料开发与设备构建之间的差距。在材料开发过程中，不仅报告了实验室优化的性能，还展示了大规模合成和真实环境下的测试结果。在设备层面，考虑了整个设备的热量和质量传递影响，并评估了影响水收集的气温变化。然而，需注意这仅仅是一小步，由于条件限制，吸附材料和屋顶农场的验证面积仍小于1平方米，材料和设备的规模化及其成本效益仍需进一步验证。规模化过程中要解决的问题包括从规模化角度设计设备以提高热力学效率和空间利用率。此外，优化实际环境中的吸附-脱附循环时间比仅依赖实验室数据来进行决策更为重要。

　　将空气取水技术与屋顶农业结合为可持续城市发展提供了前所未有的机会。除了表面上的水和食物生产益处外，该技术还能更加进一步与现有建筑的独特特征相结合。通过利用建筑暖通热泵空调系统产生的废热作为脱附所需能量，回收通常被浪费的资源，避免对植物生长的负面影响，同时最大化热能利用并调节室内温度和湿度。此外，屋顶农场通过提供阴凉和蒸腾作用，能减轻建筑的热负荷，降低能源消耗，缓解城市热岛效应对当地气候和环境的影响。最终，这种本地化的可持续水和食物获取方法消除了长距离运输的需求，进一步革新了我们对城市可持续性中水资源和食物生产的理解。我们为在能源-水-食物交汇点上实现可持续城市发展，解决全球食品安全和供应挑战迈出了关键一步。

　　第一作者-山訸上海交通大学、新加坡国立大学联合博士生，导师王如竹教授，合作导师Swee Ching Tan教授。研究方向为复合吸附材料用于空气-能源-水等交叉学科研究，着重关注吸湿凝胶的材料开发和空气取水器件循环策略的优化。

　　通讯作者-王如竹教授从事制冷、热泵与热湿调控研究，主持的成果获国家自然科学二等奖和国家技术发明二等奖，何梁何利基金科学与技术创新奖；荣获全球能源奖、国际能源署热泵大奖、国际制冷学会最高学术奖Gustav Lorentzen奖章等多项重要国际学术奖项。他领衔的能源-水-空气创新团队（ITEWA）长期致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。团队近5年来在 Science, Nature Water, Joule, EES, Advanced Materials, Nature Comm. 等高水平期刊上发表40余篇学科交叉论文。

　　通讯作者- Swee Ching Tan教授于剑桥大学获得电气工程博士学位，随后于麻省理工学院材料科学与工程系进行博士后研究，现为新加坡国立大学材料科学与工程系副教授。他曾于惠普公司担任激光加工与设备工程师，帮助公司降低至少40万美元的年经营成本，并将其所在部门的产能提高 35%，并被惠普公司授予杰出成就奖。他同时也是专注于超吸湿材料的Ultra Dry公司的创始人。陈瑞深博士已在 Nature Electronics、Nature Sustainability、Joule, EES、Advanced Materials、Nature Comm、Science Advances 等国际顶级期刊上发表了众多优秀论文，同时也是Device、Scientific Reports、Energy Technology期刊编委。

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