近日，制冷与低温工程研究所王如竹教授ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）团队在Nature Water期刊上发表了题为“Solar-driven Scalable Hygroscopic Gel for Passive Plant Transpiration and Soil Evaporation Water Recycling”的研究论文。论文针对温室生产中水资源利用效率低下的问题，提出了一种基于太阳能驱动吸湿性水凝胶材料的植物蒸腾和土壤蒸发水回收装置，该装置在不影响植物光合作用及正常生长的前提下，实现了温室内部的高效水循环和再利用。论文第一作者为制冷与低温工程研究所博士生邹豪，王如竹教授、农业与生物学院黄丹枫教授和新加坡国立大学李俊教授为通讯作者。
全球正在经历人口增长加剧等导致的水资源短缺问题。由于农业生产部门，特别是温室农业，占人类用水量近70%，发展节约资源的农业方法和减少温室用水成为解决水资源危机的关键。在温室生产中，大部分灌溉水通过土壤蒸发和植物蒸腾损失，只有2%-3%用于植物生长。由于温室固有的高湿度和除湿需求，吸附式空气取水技术在温室中的应用具有巨大潜力。
因此，为了解决全球水资源短缺问题并提高温室中的水资源利用效率，该论文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，从而开发了一种名为TEAD的装置来优化灌溉水的利用。TEAD包括一种多组分互连，具有良好扩展性和可靠粘附性能的吸湿多孔凝胶TCP-Li。得益于精细的合成工艺和各个合成材料的有效性能表达，合成的TCP-Li表现出高达3.38g/g的吸水性能，并在自然阳光下具有快速解吸能力。在温室测试中，TEAD能够在不影响植物光合作用及正常生长的前提下，实现温室内部的高效水循环和再利用，装置取水量高达每株87.1g以及每平米1890.6g，从而节约44.9%的灌溉用水。结合以上优点，该设计为进一步提高温室水资源利用效率提供了一种新方法，有望缓解全球水危机并减少农业用水浪费。
该研究工作为离网和干旱地区的可持续节水温室生产提供了潜在的方法。未来的研究应集中于适应更大规模的应用，并将这项技术与其他可持续农业实践，如精准灌溉和土壤湿度监测相结合。TEAD代表了温室水资源管理的重大进展，提供了一种创新且可持续的解决方案来提高农业中的水资源利用效率。通过结合园艺、能源和材料科学等跨学科领域，这项研究为解决全球水资源短缺和优化现代农业用水提供了一种可行的方法。
王如竹教授ITEWA团队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。团队近年来在Science，Nature Reviews Materials，Nature Water，Joule，Energy＆Environmental Science，Advanced Materials，Science Bulletin，Nature Communications等国际期刊发表40余篇学科交叉论文。本研究工作是ITEWA团队与农生学科和材料学科领域的深度合作。
阅读原文：https://doi.org/10.1038/s44221-024-00265-y
