Nat. Commun.: 協(xié)同MOF復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)廣氣候適應(yīng)型高效太陽能驅(qū)動空氣取水

近日，上海交通大學(xué)王如竹教授團(tuán)隊(duì)與中山大學(xué)張杰鵬教授、周東東教授團(tuán)隊(duì)合作，針對太陽能驅(qū)動的空氣取水（SAWH）技術(shù)中存在的夜間吸附與日間解吸熱力學(xué)失配問題，提出了一種基于協(xié)同MOF復(fù)合材料的解決方案。研究團(tuán)隊(duì)利用MOF材料Ni2Cl2(BTDD)作為基質(zhì)，通過浸漬法優(yōu)化負(fù)載氯化鋰（LiCl），構(gòu)建了名為LiCl@Ni2Cl2(BTDD)的復(fù)合吸附劑。該復(fù)合材料結(jié)合了無機(jī)鹽的高吸濕量與MOF穩(wěn)固孔道結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，不僅將解吸驅(qū)動溫度顯著降低至60 °C以下，還極大擴(kuò)展了高濕度窗口下的吸附持續(xù)時(shí)間。基于該材料構(gòu)建的模塊化SAWH裝置在廣泛的氣候條件下的實(shí)地測試中展現(xiàn)了卓越的穩(wěn)定性與產(chǎn)水性能，在典型的大陸性氣候（如濟(jì)南）實(shí)地測試中，其太陽能驅(qū)動的裝置日產(chǎn)水量較純MOF基裝置提升了高達(dá)91%。

全球超過40億人正面臨淡水短缺危機(jī)，而大氣中蘊(yùn)含的水汽資源相當(dāng)于地表河湖總量的六倍，如何高效地從空氣中獲取飲用水已成為極具社會意義與戰(zhàn)略價(jià)值的研究方向。在各類水生產(chǎn)技術(shù)路線中，基于吸附的空氣取水技術(shù)（Sorption-based AWH，SAWH）因其能適應(yīng)不同濕度環(huán)境且可由低品位太陽能直接驅(qū)動而備受關(guān)注。然而，該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用仍面臨兩大核心挑戰(zhàn)：一是夜間高濕度吸附窗口未被充分利用；二是受限于傳統(tǒng)吸附劑的高解吸溫度要求，日間太陽能熱源往往難以驅(qū)動充分的解吸過程，導(dǎo)致產(chǎn)水效率受限。盡管金屬有機(jī)框架（MOFs）和吸濕性鹽類各有優(yōu)勢，但直接應(yīng)用材料往往分別存在孔容限制問題或泄漏、團(tuán)聚等穩(wěn)定性問題。因此，開發(fā)一種兼具高吸附容量、快速動力學(xué)且能適應(yīng)低品位熱源驅(qū)動的復(fù)合吸附劑，并配合高效的熱設(shè)計(jì)的太陽能驅(qū)動空氣取水系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)廣域氣候適應(yīng)性“隨時(shí)隨地”空氣取水的關(guān)鍵。

研究出發(fā)點(diǎn)

本研究的出發(fā)點(diǎn)在于解決實(shí)際應(yīng)用場景中吸附劑所需解吸溫度高與自然光熱條件波動大的矛盾。面向太陽能驅(qū)動空氣取水中的實(shí)際問題，研究團(tuán)隊(duì)著眼于復(fù)合材料“協(xié)同效應(yīng)”，選用具有大孔容的Ni2Cl2(BTDD)作為基質(zhì)材料，通過負(fù)載高性能吸濕性鹽LiCl，實(shí)現(xiàn)吸濕鹽孔道限域效應(yīng)分散并有效防止鹽的泄漏。在裝置層面，團(tuán)隊(duì)使用一種高度集成的模塊化光熱驅(qū)動AWH系統(tǒng)構(gòu)建了兩組對比裝置，分別搭載復(fù)合前后的材料在不同的地域進(jìn)行了實(shí)地測試。多場景實(shí)地測試結(jié)果顯示該裝置具有著廣泛的氣候適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了太陽能驅(qū)動的高效產(chǎn)水過程。

圖文解析

針對現(xiàn)有吸附劑在吸附容量與解吸溫度之間的權(quán)衡難題，研究團(tuán)隊(duì)首先從材料吸附機(jī)理入手，構(gòu)建了主客體協(xié)同的復(fù)合吸附體系。團(tuán)隊(duì)篩選出兼具大孔容（1.18 cm3 g-1）及高循環(huán)穩(wěn)定性的MOF材料Ni2Cl2(BTDD)作為基質(zhì)，通過優(yōu)化后的浸漬法引入高吸濕性的LiCl鹽進(jìn)行負(fù)載。氮?dú)馕脚c孔徑分布分析顯示，在優(yōu)選的30 wt% LiCl溶液復(fù)合后的復(fù)合材料LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30孔徑從2.20 nm減小至1.66 nm，同時(shí)配合PXRD、TOF-SIMS等不同表征手段綜合證明了LiCl在MOF孔道內(nèi)表面形成了均勻分布，從而有效避免了鹽團(tuán)聚。不同于Ni2Cl2(BTDD)材料“S型”吸附等溫線，該復(fù)合材料呈現(xiàn)出多相的“三階段”吸附行為：從低濕度的化學(xué)吸附，到中濕度的鹽潮解，再到高濕度的溶液吸收，最終實(shí)現(xiàn)了相較于純基質(zhì)MOF材料在全濕度域吸附性能的提升。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該復(fù)合材料在30 °C/80%相對濕度下的吸水量高達(dá)3.46 g g-1，相當(dāng)于基質(zhì)材料Ni2Cl2(BTDD)相同濕度下吸附量的近4倍，同時(shí)在不同濕度區(qū)間內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了吸附量與吸附速率的提升。同時(shí)該復(fù)合材料對解吸溫度要求低，60 °C下的低驅(qū)動溫度即可實(shí)現(xiàn)近95%的解吸。高吸附容量與低解吸溫度配合大幅降低了對太陽能熱源強(qiáng)度的要求，可以更好地適應(yīng)多云等太陽能驅(qū)動空氣取水系統(tǒng)中常見的不利氣候條件，同時(shí)為全天候高效取水奠定了熱力學(xué)基礎(chǔ)。

圖一 LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30性能表征

優(yōu)異的材料性能需要匹配高效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)才能轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)水量。針對光熱驅(qū)動AWH系統(tǒng)中解吸（需高溫）與冷凝（需低溫）的熱設(shè)計(jì)需求矛盾，團(tuán)隊(duì)使用了一種高度集成的可擴(kuò)展模塊化SAWH裝置。該裝置采用雙層絕熱傳質(zhì)板設(shè)計(jì)，成功在緊湊的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了吸附床熱域與冷凝室冷域的有效解耦與熱分區(qū)。最終通過削弱吸附床與冷凝壁面間熱量傳遞同時(shí)實(shí)現(xiàn)了解吸溫度的提升與降低冷凝溫度雙重目標(biāo)。憑借裝置熱設(shè)計(jì)優(yōu)化與高性能復(fù)合材料結(jié)合，裝置表現(xiàn)出較好的低光照適應(yīng)性，即便在400 W m-2的弱光照強(qiáng)度下（常見典型夏季正午陽光輻照強(qiáng)度可達(dá)1000 W m-2或更高），仍能實(shí)現(xiàn)超過500 g m-2的產(chǎn)水。同時(shí)裝置在各輻射條件下整體產(chǎn)水量均較未復(fù)合LiCl的Ni2Cl2(BTDD)系統(tǒng)提升了25%以上，其中在1000 W m-2下7小時(shí)內(nèi)每平米產(chǎn)水超1 L，產(chǎn)水體積密度達(dá)30.3 L m-3。

圖二 搭載LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30的太陽能驅(qū)動空氣取水裝置實(shí)驗(yàn)室性能測試結(jié)果

為了驗(yàn)證技術(shù)在實(shí)際場景應(yīng)用中的普適性，研究團(tuán)隊(duì)跨越不同氣候區(qū)在上海（濕潤亞熱帶）、濟(jì)南（大陸性氣候）和昆明（冬季亞熱帶高原）對基于Ni2Cl2(BTDD)與LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30的裝置進(jìn)行了廣泛的戶外實(shí)地對比測試。測試中未使用風(fēng)機(jī)、制冷系統(tǒng)等冷凝輔助設(shè)備，僅憑太陽能光熱驅(qū)動裝置運(yùn)行。實(shí)測結(jié)果表明，復(fù)合材料系統(tǒng)展現(xiàn)出對實(shí)際環(huán)境波動的極強(qiáng)適應(yīng)力。在上海的對比測試中，得益于更低的啟動溫度，復(fù)合材料裝置比純MOF裝置提前一小時(shí)（9:30 a.m.）就開始產(chǎn)出液態(tài)水。在氣候較為干燥的濟(jì)南，這種優(yōu)勢被進(jìn)一步放大，復(fù)合材料系統(tǒng)的產(chǎn)水量較純MOF系統(tǒng)提升了高達(dá)91%。同時(shí)在昆明的冬季實(shí)際測試中，即便光熱部件驅(qū)動溫度僅為60 °C，裝置依然保持了高效的運(yùn)行狀態(tài)，證實(shí)了其在低溫、低輻照等苛刻環(huán)境下的運(yùn)行可靠性。此外，連續(xù)多日的循環(huán)測試及水質(zhì)分析證實(shí)，該系統(tǒng)在運(yùn)行中產(chǎn)水量穩(wěn)定可靠且收集到的水質(zhì)純凈，離子濃度符合WHO飲用標(biāo)準(zhǔn)。

圖三 太陽能驅(qū)動的空氣取水系統(tǒng)戶外實(shí)驗(yàn)

總結(jié)與展望

本工作提出了一種通用的吸濕鹽復(fù)合與系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)同策略，通過將吸濕性鹽引入MOF骨架內(nèi)，成功構(gòu)建了兼具高吸附容量與低解吸溫度特性的復(fù)合吸附劑。該策略不僅解決了傳統(tǒng)MOF材料再生溫度高、能耗大的瓶頸，還通過裝置層面的熱管理優(yōu)化，顯著提升了太陽能利用效率，同時(shí)模塊化的設(shè)計(jì)可以滿足未來裝置規(guī)模化的擴(kuò)展需求。通過在不同氣候區(qū)的成功實(shí)地驗(yàn)證，該技術(shù)有望在應(yīng)對全球淡水短缺、特別是針對離網(wǎng)和干旱地區(qū)的分散式供水方面發(fā)揮作用。未來，隨著對復(fù)合材料主客體相互作用機(jī)制的進(jìn)一步解析，該策略有望拓展至更多種類的多孔基質(zhì)與吸濕鹽組合，從而為實(shí)現(xiàn)更高效、更低成本的大氣水收集提供無限可能。

文獻(xiàn)信息

Shao, Z., Feng, X., Poredo?, P. et al. Synergistic MOF-based composite enabling significant solar-to-water generation enhancement in climate-resilient AWH. Nature Communications (2026).

https://doi.org/10.1038/s41467-026-68946-8

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