诺贝尔奖启示：MOF材料的水吸附性能研究如何推动可持续发展

近年来，诺贝尔化学奖多次表彰了在材料科学和纳米技术领域的突破性工作，尤其是在多孔材料与吸附机制方面的创新。这些研究不仅推动了基础科学的发展，更为全球水资源、能源存储等可持续发展挑战提供了解决方案。

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MOF材料：从实验室到实际应用
金属有机骨架（MOF）作为一种新兴多孔材料，因其可调控的孔结构和优异吸附性能，对水的吸附在水分捕获和释放的应用场景中是十分重要的，一些关键应用包括除湿、热电池和偏远地区饮用水输送^[1]。一般来说，在设计适合储水的吸附材料时，有三个关键的考虑因素：

1）水向多孔材料中的孔隙填充或冷凝必须在较低的相对压力（P/P0）或相对湿度（RH）下发生，并表现出陡峭的吸附行为。

2）材料需要有高吸水能力，可以最大限度地输送水，并只需要简单的吸附/解吸过程，以提高能效。

3）材料具有较高的吸附/解吸循环性能和稳定性。

本文阐述了金属有机骨架（MOFs）的吸水性能研究。多种锆基MOF能够满足上述三个标准，美国加州大学伯克利分校Omar M. Yaghi团队使用了BELSORP-aqua 3测试了它们的水吸附行为。

关键词：MOF，水吸附，大气水捕获与释放，循环性能

在本应用笔记中，我们对金属有机骨架（MOFs）的吸水性能进行了研究。

设计了多种锆基MOFs以满足上述三个标准，并使用美国加州大学伯克利分校的BELSORP-aqua 3测试了它们的吸水性能。

关键词：多氟醚，水吸附，大气水捕获和释放，循环性能

实验

采用容量法蒸汽吸附仪BELSORP-aqua 3(新型号：BELSORP MAX X-HT)对锆基MOFs和沸石13X进行25℃下水蒸气吸脱附等温线的分析表征。用户友好的测试软件可以进行无人值守的循环测试，循环次数可达5次。每次循环测试之间对样品进行25度2小时的脱气处理。单次可同时测试3个样品，实现高通量测试。

结果与讨论

图1. 分子筛13X 在25?C下的水吸附/解吸循环测试

沸石由于在极低低相对压力下吸附水，因此在商业上被用于电除湿机中捕获水分。然而，由于沸石与水分子之间的强烈相互作用，需要将材料加热至300°C，才能将吸附的水分子从孔隙中脱附。这个再生过程需要高能量输入。因此，沸石不是与捕获和释放水分相关应用的理想材料。从图1中可以观察到，沸石样品在第一个吸附脱附等温曲线测试中显示出更高的吸水能力，而在室温下再生后，在连续的循环测试中未能恢复相同的吸附能力。

图2. MOF-801-P (A) 和 MOF-841(B)的水吸附/解吸循环测试

MOF-801-P（图2（A））和MOF-841（图2（B））的微晶粉末样品显示出较好的水蒸气吸附脱附性能，完全符合简介中提到的三个标准。这些MOF材料的吸附曲线在低压区陡峭上升，即使在连续五个循环后，最大吸水量也几乎保持恒定。这清晰地表明，这些MOF材料与水具有很强的相互作用，同时在温和的条件下很容易再生。

为了将MOF用作汽车的热交换器（即热电池），需要在较低的相对压力（P/P0 < 0.1）下捕集水，因为它在吸附/解吸循环中无需安装压缩机或提高蒸发温度。在这方面，MOF-801-P 是用于先进热电池的优秀选择之一。

MOF材料还可用于水收集应用，以在饮用水稀缺的偏远沙漠地区捕获、储存和释放大气水。在这些地区，典型的夏季白天温度和相对湿度 （RH） 为 40 °C 和 5%，夜间急剧变化为 25°C 和 35%。在这种条件下，多孔材料可以在 5% - 35% RH（即 P/P0 = 0.05-0.35） 之间捕获水，然后可以冷凝空气中的水蒸气。考虑到MOF-841在P/P0 = 0.3时能够吸收44%的水，它在捕获、储存和释放大气水方面具有很大的潜力。

结论

锆基MOF材料在捕获、储存和释放水分应用中表现出优异的性能。通过水蒸气吸附仪能够很好地评价MOF材料对水分的吸附作用，并有效地研究了MOF材料的循环性能。然而，吸附能力和循环稳定性还取决于MOF晶体结构中的缺陷^[2]。

参考文献

[1] Furukawa, H. et al. J. Am. Chem. Soc. 136, 4369–4381 (2014).

[2] G?kpinar, S. et al. Ind. Eng. Chem. Res. 58, 21493–21503 (2019).

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