MOFs在線 - 南京大學朱嘉/徐凝最新Nature Nanotechnology－鑽石舞台

▲第一作者：Yan Song

通訊作者：朱嘉, 徐凝

通訊單位：南京大學

DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-022-01135-y

背景介紹

太陽能驅動的基於吸附的大氣集水(AWH)為乾旱地區的淡水短缺提供了一種經濟高效的解決方案。創造能夠每天執行多個吸附-解吸循環的AWH設備對於提高滿足人類用水需求的產水率至關重要。然而，由於吸附劑緩慢的水吸附-解吸動力學，在被動收割機中實現快速循環AWH一直具有挑戰性。

本文亮點

1.本工作報道了一種MOF衍生的納米多孔碳材料，該材料具有快速的吸附動力學和優異的光熱性能，用於高產率的AWH。

2. 由於擴散阻力最小，優化後的結構（40%的吸附位點和~1.0 nm的孔徑）具有優異的吸附動力學。此外，碳質吸附劑通過高效的太陽能加熱和高導熱率表現出快速的解吸動力學。

3.本工作開發了一種基於金屬-有機框架納米多孔碳的快速循環集水器，在一次陽光照射下，在相對濕度為30%時可產生0.18 L kgcarbon−1 h−1的水

4.本工作所提出的設計策略有助於為先進的淡水發電系統開發高產、太陽能驅動的AWH。

圖文解析

▲圖1.水蒸氣在納米多孔碳中的擴散過程

要點：

1、實現高產集水的關鍵是實現快速的水分吸附-解吸動力學。但遺憾的是，由於多級吸附機制的複雜性，納米多孔碳的構效關係和水的吸附動力學研究仍然缺乏。

2、如圖1a所示，水在納米多孔碳上的吸附-脫附是一個多步驟的過程：水分子首先吸附在吸附劑顆粒(i)上，然後進入開孔(ii,iii)並被結合位點(iv)吸附；最後，水被釋放離開吸附劑(v)。因此，有必要系統地研究結構因素如何影響水在吸附劑中的所有擴散步驟，以設計和製備能夠快速循環從而提高產率的納米多孔炭。

3、為了了解表面親水性如何影響水蒸氣的擴散，本工作建立了一個具有不同吸附位密度η的狹縫形碳孔模型，定義為表面雜原子的濃度(主要是含氧基團和含氮基團)。一般來說，較大的η對應較強的親水性。外滲能壘隨η的增大而減小，表明孔隙親水性有助於滲透(圖1b)。

4、附近的結合位點協助水分子在納米孔內由高到低的濃度擴散，從而減少了內部擴散的障礙。綜合考慮外部和內部擴散障礙，吸附位組成為40 at.%的納米多孔碳整體擴散阻力最低，最有利於實現快速輸水(圖1b)。

▲圖2.通過蒸汽選擇性蝕刻對MOF衍生的納米多孔碳的結構和組成分析

要點：

1、本工作表明，所得炭前驅體熱解後的吸附位濃度為40%，孔徑為0.59 nm。由於40 at.%的吸附位已經是理想的含量，因此需要一條既能拓寬孔道又能同時保護孔道親水性的合成路線(圖2a)。

2、本工作開發了一種蒸汽選擇性蝕刻策略來擴大孔隙。在圖2b中，所有的樣品，在蒸汽腐蝕前後，顯示相同的O和N含量(N和O分別約占原子的15%和25%)。未改變吸附位點的含量證實了蒸汽刻蝕不會破壞表面親水性。

3、MOF衍生的納米多孔碳具有優異的光熱性能，有利於太陽能驅動的水釋放。在圖2h中，MOF衍生的納米多孔碳表現出300~2500 nm的寬帶吸收(>92%)，占太陽能的96.8%。

▲圖3.所得納米多孔碳的AWH性能和操作穩定性

要點：

1、從平衡吸水能力和吸附-脫附動力學兩個方面評價所得納米多孔炭的AWH性能。在25℃和20-50% RH條件下測定了平衡吸水量。在圖3a中，水蒸汽的平衡吸水量與孔徑密切相關：孔徑越大，吸水量越高。

2、在25 ℃和20~50 % RH條件下，測定了水蒸氣的吸附-脫附動力學。圖3b顯示了典型的蒸汽- 80的水吸附-脫附動力學測量。在整個RH範圍內，蒸汽-80具有快速的捕水能力：在40 min內達到90%的平衡負荷。

3、高溫退火顯著減緩了水蒸氣的吸附：k從0.071 min-1(500℃)下降到0.011 min-1(1000℃) (圖3c)。k的顯著下降說明納米多孔炭對水的快速吸附是由於結合位點的存在。

4、納米多孔碳在循環實驗中也表現出優異的穩定性。綜合前面的研究結果，先將蒸汽-80暴露在50% RH和25℃下，約40 min後達到滿負荷；在單太陽光照下進行脫附實驗，以保證高效釋水和吸附劑再生。在圖3d中，在此條件下，蒸汽-80在7個循環中保持了較高的性能。

▲圖4.AWH的實際應用

要點：

1、本工作已經成功研製出一種既具有快速吸附動力學又具有優良光熱性能的吸附劑，用於高產率太陽能驅動的AWH。接下來，本工作建立了一個快速循環的太陽能驅動水收割機來證明這種方法的可行性。

2、如圖4a所示，快速循環取水器由MOF衍生的納米多孔碳、丙烯酸箱和熱電冷卻器組成。它的作用是將吸附劑暴露在大氣中吸收水蒸氣。初步試驗表明，在15 min內，可將近100%的吸附水釋放出來並凝結在收穫機內壁，與吸附劑的快速解吸動力學相匹配。

3、側壁上水滴的形成、生長和聚並如圖4b所示。3 min後出現霧滴，6 min後出現微小水滴。15 min後，管壁上形成大的水滴，最大可達0.4 cm。控制實驗表明，在沒有吸收劑的情況下，AWH內壁沒有形成水滴，驗證了AWH中收集到的水來自吸收劑而不是環境空氣。值得注意的是，這樣的主動冷卻並必不可少的，可以用設計良好的被動冷凝器來代替。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41565-022-01135-y

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