近日，制冷與低溫工程研究所ITEWA創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在Cell Press旗下Cell Reports Physical Science發(fā)表了題為“A regulation strategy of sorbent stepwise position for boosting atmospheric water harvesting in arid area”的研究論文，提出在吸附側(cè)構(gòu)建冷源調(diào)控介孔MOF吸濕階躍區(qū)間的新策略，可拓寬高吸濕量介孔材料在空氣取水應(yīng)用中的適用范圍。論文第一作者是博士生馮耀輝和葛天舒教授，通訊作者是葛天舒教授和王如竹教授。
孔道結(jié)構(gòu)和金屬有機(jī)框架MOF在空氣取水技術(shù)中得到廣泛關(guān)注，然而，在干旱工況下（<30%RH）實(shí)現(xiàn)水分捕集對材料有著更高的要求。微孔MOF因其吸附階躍點(diǎn)靠前，可以實(shí)現(xiàn)在低濕環(huán)境下吸水，而其吸附量卻有所限制（<0.45g/g，25°C，30%RH）。基于此，將吸濕鹽封裝在MOF骨架中可以有效提高吸濕量（~0.6-0.77g/g），但鹽的負(fù)載卻改變了MOF本身具有的S型曲線特點(diǎn)，且泄露和腐蝕等問題始終存在。值得注意的是，在實(shí)際干旱工況中，氣候條件隨著日夜、季節(jié)波動變化，具有靠前階躍的微孔MOF遇高濕情況時脫附變得極其困難，呈現(xiàn)線性吸附的鹽復(fù)合材料只能是一種妥協(xié)之策。為此，在維持MOF特有S型曲線特點(diǎn)、高吸濕量和寬適用性之間始終沒有找到有效的解決方案。
論文提出在吸附側(cè)構(gòu)建冷源從而改變孔道內(nèi)及其附近的濕度環(huán)境，使得即使在外界干旱低濕的情況下，材料也可實(shí)現(xiàn)水分捕集，靠后的階躍點(diǎn)遷移至更靠前的位置，將高吸濕性的介孔MOF在干旱工況吸濕的不可能性轉(zhuǎn)變?yōu)榭赡苄浴Ｕ撐耐ㄟ^材料篩選、合成表征、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、部件性能和裝置測試等不同尺度，探究了該思路在干旱地區(qū)實(shí)現(xiàn)“空氣取水”的可行性，在典型干旱狀態(tài)下（25°C 30%RH），吸濕量可突破1.05g/g，顯著優(yōu)于現(xiàn)有聚焦于干旱地區(qū)取水的單一吸附劑。這種通過外部冷源構(gòu)建來調(diào)控吸濕階躍區(qū)間的策略，沒有改變材料本身具有的任何特性，既維持了其特有的S型吸附曲線，又可在低濕、高濕環(huán)境中使用，成為兼具高吸濕量與靈活時空適應(yīng)性的優(yōu)選之策，有望推動空氣取水技術(shù)的落地實(shí)施與商業(yè)化應(yīng)用。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金優(yōu)青項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目的資助。王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（Innovative Team for Energy, Water & Air）致力于解決能源、水、空氣交叉領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。ITEWA創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)成立3年來在Joule、Advanced Materials、Angewandte Chemie、ACS Energy Letters、ACS Central Science、ACS Materials Letters、Energy Storage Materials、Nano Energy、Water Research等期刊上發(fā)表系列跨學(xué)科交叉論文。
附：期刊簡介
論文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(21)00276-9
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