2017年4月MIT机械工程系一篇关于MOF材料吸附空气取水的研究论文在Science上发表，该文以沙漠干旱地区缺水作为研究对象，通过MOF材料的多孔结构设计，尝试在20-30%相对湿度下MOF从空气中吸水，在太阳能加热后实现水的解吸从而获得冷凝水的制水方法，由于空气中含有取之不尽的水份，空气取水显然是一种特殊情况下的可行技术途径。

Science刊文当天，王如竹收到Physics Today编辑采访，探索空气取水的意义。王如竹团队十多年前就做空气取水的研究，利用普通的硅胶复合氯化锂，在国际期刊上发表过6篇论文，2017年则正好在中意绿色能源实验室建立了日产50升水的太阳能吸附空气取水实验系统。王如竹说“我们侧重工程背景，提出设计和解决方案，类似于交钥匙工程，论文主要发表在能源大类期刊上”，王如竹与他的博士生王佳韵一起讨论，循着吸附空气取水把论文投给了Nature Communications（第一作者王佳韵）, 送审了但是被拒了， 投给Joule也是送审了，但是也是被拒了。被拒的理由都是有评审人发现王佳韵已经有吸附空气取水的研究论文在Applied Thermal Engineering和Energy上发表过，尽管递交的论文是最新的成果，系统更加完美，但是已经不是0到1的工作了，失去了原创性。最后王佳韵的论文“Universal scalable sorption-based atmosphere water harvesting”于2018年9月在Energy上作为邀请论文发表的，这是一篇真正系统性的吸附空气取水研究论文。在近一年的时间里，虽然没有在顶刊上发表论文，但是博士生王佳韵得到了很好的学术锻炼，她获得了上海交通大学学术之星称号，博士学位论文也获得了2018年上海交通大学优秀博士学位论文提名奖。

为什么我们发Energy，而MIT国际前沿研究发Science? 经过分析发现站位显著不同。我们团队一直站在专业学科领域，视野也是在学科圈子内，我们用的材料是商业工业材料，我们的设计是工程应用设计，我们永远考虑性价比。我们做了很多1+1=2的工作，却不去尝试从0到1的工作。那么我们为什么不能站在更加前沿的位置思考问题？为什么不能突破自己的学科圈子？又能否胸怀学科，放眼世界？视野决定了未来，平台决定了水平，要做高影响力的研究工作，必须学科交叉，有广阔的视野，有较好的研究平台，更要有新的学术思想，要做别人想不到更是做不到的事！

找到了差距，明确了方向，王如竹马上入手构建创新学科交叉团队。这个团队不能大，需要靠大团队养护，毕竟大团队在研究经费供给有余的情况下才能够想一些海阔天空的研究。青年教师李廷贤和徐震原成为了交叉团队的骨干，动态的6-8个博士生以及2-3个博士后成了这个交叉团队的主要力量。“由于我们的团队擅长能源、水和空气相关的研究, 我们为此确定了能源-水-空气的创新团队ITEWA, Innovative Team on Energy, Water and Air”王如竹如是说，“新材料，新思想”是ITEWA发展的根本。为此ITEWA确定了定期组会，一开始每周一次，博士生和博士后在国际顶刊中寻找热点研究，重点分类阅读和总结，组会上交流， 很快就解决了视野问题；做前沿材料相关的研究需要很多装备，中意楼是教育部工程研究中心和上海市低温技术测试服务平台，以前有些仪器积累，但是还需要很多新的仪器，由于没有学科建设经费的支持，王如竹团队就从自己积累的科研结余经费中去购买，一年多时间购置了麦克吸附仪，红外摄像机，太阳能辐射模拟器，专门建立了MOF和水凝胶材料制备专用实验室，搭建了高精度吸附材料动态吸附性能测试台，当然更多的热物性与表征测试需要在学校分析测试中心和材料学院的一些重大仪器上进行。这样一来实验研究平台问题也基本得到了解决。

由于前期王如竹团队已经在吸附空气取水研究方面发过多篇研究论文，MIT在Science上的论文形成了空气取水热点，为此王如竹向Cell姊妹刊Joule的主编建议写一遍空气取水的综述，并获得了主编的支持。王如竹安排博士后涂耀东来具体完成，该文经过专家评议经过修改后最后于2018年8月在Joule上发表， 题为“Progress and expectation of atmospheric water harvesting”，该论文第一作者为涂耀东博士后，通讯作者为王如竹教授，这篇论文为ITEWA向综合交叉顶刊进军打开了一扇窗。

随后的问题是ITEWA何时能发出研究型顶刊论文？一批的博士生奋力挑战， 曹毕野的太阳能湿泵研究论文“A moisture-penetrating humidity pump directly powered by one-sun illumination”先后投给Joule和Science Advances，均获得送审，但是每次都有一票反对，导致结果均是被拒，最后于2019年5月发表在Cell的开放期刊iScience上；李帮俊等的固态制冷湿泵研究论文“A full-solid-state humidity pump for localized humidity control”投稿给Joule，获得了送审机会，在大修后于2019年5月在Joule上正式上线发表，该论文第一作者为李帮俊博士生，通讯作者为王如竹教授。这2篇论文的发表给ITEWA带来了欢欣鼓舞，毕竟近大半年来大家的论文不断被拒，未在顶刊上真正突破。2019年5月开始实验室又是热火朝天，博士生们起早摸黑，为了促进大家的研究和交流，中意绿色能源实验室专门辟出一间大的房间用于ITEWA的研究设施和平台。

图1：吸附空气取水系统(Energy)，太阳能湿泵(iScience)，热电制冷湿泵原理和器件(Joule)。

李廷贤老师指导他的博士生仵斯在高导热相变材料方面做了大量研究，提出通过从天然石墨片直接构建大尺寸石墨纳米片的方法合成高导热复合相变材料的概念，实现大尺寸导热骨架重构。在添加剂含量低于40 wt% 时，复合材料热导率可高达 35 W/mK。这个研究论文递交给Joule，有一位评审人就是不认可，他认为这个热导率不可能突破10 W/mK，但是他并不理解我们这个高导热是如何实现的，而且为了保障测量的准确性，我们在2种热导率测试仪器上做了对比，确认我们数据的可靠性。为了加强热导率测量和分析的能力，ITEWA特意派博士生仵斯去擅长热测量的日本九州大学访学交流，提升博士生自身能力。针对投递的论文被反复否决，ITEWA团队并不气馁，认真研读评审意见并修改完善论文稿件，论文“High-performance thermally conductive phase change composites by large-size oriented graphite sheets for scalable thermal energy harvesting” 经过修改最后投给了Advanced Materials, 评审意见非常肯定，最后于2019年11月正式发表，该文第一作者是仵斯博士研究生和李廷贤副教授，通讯作者是李廷贤副教授、邓涛教授和王如竹教授。为了写好这篇论文，ITEWA团队与材料学院邓涛教授、密西根学院鲍华教授一起合作，每次失败和修改均一起讨论，最后实现了ITEWA研究成果在材料顶尖期刊上的突破。

图2：天然石墨片直接构建大尺寸石墨纳米片(AM)，MOF空气吸水发汗冷却电子器件(Joule)。

2018年在与华为合作过程中王如竹教授意识到微电子器件先进热管理的迫切需求，安排了博士后和博士生做吸附储水发汗冷却的研究，中间有5位博士生先后参与，断断续续，李帮俊Joule论文发表后激励了博士生的研究热情，加快了电子散热的前沿研究，博士生王晨曦和华凌佶等最后完成了MOF材料吸水用于电子芯片散热的研究，论文“A thermal management strategy for electronic devices based on moisture sorption-desorption processes” 2020年1月底在Joule上发表，该论文第一作者为王晨曦博士生，通讯作者为王如竹教授，主要创新点是提出了一种基于环境水蒸气吸附-解吸的热管理策略，该方法将吸附剂的解吸传质过程与电子设备的传热需求相结合，利用该过程的高解吸潜热，实现有效的热管理效果。同时，当设备处于低负载工作时，吸附剂能够自发地从周围环境中捕获水蒸气，实现水分的再次补充。该论文成果被Cell出版社作为重点发布新闻，刊登在美国科学促进会EurekAlert的Science news上，随后被包括新华社在内的近百个媒体作为科学新闻报导。王如竹说“我们提出的仿照哺乳动物发汗冷却的思想在国际上是第一个发表，一周后我们看到MIT的赵选贺等同样的概念在Science Robotics上发表，利用水凝胶吸附空气中的水分，在机构运行时，这个水分蒸发可以有效散热。”

徐震原老师在博士后期间曾经去MIT交流一年，回国后正好加入ITEWA学科交叉研究团队，他擅长热交换，在MIT合作研究期间曾有合作论文在ACS Nano上发表。结合近2年太阳能界面蒸发的研究热点，他提出了“界面局部加热型多级太阳能蒸馏架构”，结合了太阳能界面局部加热和蒸汽焓回收显著提升了被动式太阳能海水淡化的效率。通过采用商用和低成本材料搭建的实验装置，研究团队在一个太阳辐照条件下创纪录地实现了385%的效率和5.78L/m2h的海水淡化产率。除此之外，该装置可以通过毛细作用进行被动补水，同时通过盐分在夜间的反向扩散实现被动排盐，保证长效稳定的被动式工作。该项研究在上海交通大学实验室完成实验测试后，海水淡化实验核心单元又寄给MIT 的E.N. Wang教授实验室进行精细测试和表征，ITEWA 的李帮俊和王晨曦都参与了核心研究， 最后以上海交通大学和MIT两个单位合作在Energy & Environmental Science （EES）上联合发表"Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still" 研究论文，徐震原为第一作者，王如竹和E.N. Wang为共同通讯作者，研究成果获得了美国科学促进会EurekAlert和国内外众多媒体的报道。“该文一开始于2019年9月投EES给送审了，但是有一个反对意见，主要是对我们的学术贡献没有完全理解，为此我们与MIT合作写了Rebuttal，最后该文获得通过，进而在2020年1月正式发表。”徐震原如是说，与MIT合作做世界一流的研究是ITEWA 的一个很好的开端。

图3：界面局部加热多级太阳能蒸馏海水淡化(EES)，MOF复合吸附剂空气取水(Angew)。

李廷贤老师指导博士生许嘉兴在MOF复合吸附剂方面做了很为精细的工作，针对MIT在Science上发文MOF吸附空气取水在干旱（低湿）中的应用，提出了通过离子溶液渗透法将高吸湿性盐氯化锂封装在多孔MOFs材料中制备复合吸附材料的新思路，成功制备了含盐量高达51%的LiCl@MIL-101(Cr)复合吸附材料，具有水蒸气吸附量大、吸附速率高、稳定性好的优点，在30%相对湿度条件下的水蒸气吸附量高达0.77kg/kg，显著高于目前报道的MOF材料和MOF基质复合材料在干燥空气中的吸附量。通过合理设计空气取水装置，将制备的复合吸附材料应用在装置中实现了在低相对湿度条件下从干燥空气中快速水蒸气捕捉与自然光照下的加热脱附收集，该装置单次循环的空气取水量高达0.45~0.70 kg/kg，显著高于目前国际顶级期刊的报道数据。该文第一作者是许嘉兴博士研究生和李廷贤副教授，通讯作者是李廷贤副教授和王如竹教授，论文以Hot Paper形式发表在国际化学领域顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.。该文经过了EES， Joule等多个期刊评审，由于有反对意见都被拒，但是这些评审意见被ITEWA用来改进研究，使得最终不断完善，最后确定投给德国应用化学Angew. Chem.评审获得修改机会，最后在2月10日正式发表。

2020年春节前后正是ITEWA在前期研究积累的收获季，不仅有Joule, EES, Angew. Chem.,还有2篇Energy Storage Materials。王如竹的博士生张艳楠是做热化学吸附储热研究的，重点关注开式系统吸附储热。这种技术储热密度高，还可以直接通过吸附剂吸附空气中的水分实现热风输出供热，但是这个供热系统难以保障供热的温度和功率可控。王如竹认为吸附储热器（热池）应该可以与电池类比，电池输出电压（V），电流（I），总储电量(kWh)，热池应该有输出温度（oC）,热流(W),总储热量(kWh), 只有实现了几个参数的可控，储热器才真正有价值。张艳楠通过红外可视化测量首次发现了吸附反应床内的“反应波”现象，并据此提出“反应波”模型，解释了实现稳定输出的机理并为吸附剂选择和反应床设计提供准则。搭建了一台1.3 kWh的概念验证样机，实验结果表明，该样机在吸附放热阶段可将入口空气由20 ℃加热至38.1 ℃并维持5.51小时，对应的储热密度（240 kWh/m3）也大于当前文献报道的同类系统的数值。文章给了EES编辑建议转RSC的Sustainable Energy & Fuel, 文章投给Joule编辑建议转iScience, 文章投ACS Energy Letters, 送审但是最后有一票反对。综合了各类评审建议，最后这篇文章“Air humidity assisted sorption thermal battery governed by reaction wave mode”投给了特别对口的Energy Storage Materials，评审和修改非常顺利。根据王如竹教授2019年8月在俄罗斯新西伯利亚的国际大会报告 PPT安排张艳楠撰写了一篇关于“热化学储热”的综述论文，这篇文章也投给Energy Storage Materials，最后2篇论文是在2020年2月同一期上发表的，两篇论文第一作者均是张艳楠博士研究生，通讯作者是王如竹教授。

图4：反应波吸附热池机理(ENSM)，热化学储热(ENSM), 改性水凝胶吸附空气取水(ACSML)。

ITEWA成立之初本来计划一年能有3篇顶刊论文发表，没有想到ITEWA的潜力很大，2年不到，已经有近10篇这样的论文了，近期马上还有一篇论文将作为封面论文在ACS Materials Letters上发表。此外ITEWA成立以后还在Science Partner journal期刊Research上发表了光伏及储电离网住宅能源系统研究论文，在能源学科领域高影响因子期刊Renewable & Sustainable Energy Reviews 发表了3篇太阳能及储热领域的创新研究论文。王如竹对 2020的下半年还有新的期待。

王如竹说：“我们这个团队提倡做科研要顶天立地，在学科国际一流期刊上发表论文，研究成果可以工程应用和成果转化，这一些我们早就做到了”。“ITEWA的尝试是做交叉学科前沿基础研究，做0到1的研究，原创最为重要！现在我们也做到了”。我们的青年教师和我们的博士生抱着不断学习，不断进步，追求学术卓越的思想，不断实践，不断失败，不断从失败中站起来！创新不再是一步一步，而是不断跳跃，创新永无之境！

图5：ITEWA团队

 能源-水-空气国际前沿学科交叉探索团队

ITEWA （Innovative Team for Energy, Water & Air）是由王如竹教授于2018年6月创建并领导的前沿科学问题研究团队，聚焦于能源转换与效率、水及空气处理等领域的前沿基础科学技术问题。通过学科交叉分别从材料、器件和系统层面提出整体解决方案，从而推动相关技术领域快速地取得突破性进展。目前的研究方向包括：高效无霜空气源热泵、规模化太阳能空气取水、太阳能湿泵（空调）墙、超高储热密度蓄能、MOF及水凝胶等能源材料及水合盐复合吸附剂的合成及表征、仿生热湿调控以及电子设备的热管理等。ITEWA团队成员以前曾在能源顶刊Progress in Energy and Combustion Science上发表过5篇论文。

 ITEWA聚焦前沿，瞄准顶尖，既仰望星空，也脚踏实地。该团队于2018年8月以来已经在Cell Press旗舰顶刊Joule上发表论文3篇，在Advanced Materials，Energy & Environmental Science, Angewandte Chemie-International Edition, iScience, ACS Materials Letters上发表论文各1篇, 在Energy Storage Materials上发表论文2篇。2020年新发的Joule关于MOF涂层发汗冷却电子散热以及EES关于最高效率太阳能海水淡化被美国科学促进会EurekAlert的科学新闻及国际上众多媒体作为科学新闻广泛报道。