金属有机框架水收集器的快速循环与超高产率

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摘要：
本文提出一种微孔铝基金属有机框架MOF-303，在温和温度波动下能于数分钟内完成吸附-解吸循环，适用于高效连续水收集。其动态吸水性能优于其他商用吸附剂，基于该材料的水收集器在室内干旱环境（32%相对湿度、27℃）产水1.3L·kgMOF⁻¹·d⁻¹，在莫哈韦沙漠（10%相对湿度、27℃）产水0.7L·kgMOF⁻¹·d⁻¹，较此前设备提升一个数量级，表明吸附剂快速吸水动力学对实现规模化产水至关重要。

研究背景：
1.行业问题和研究现状：干旱地区缺水问题严峻，吸附辅助空气集水是可行方案，但现有吸附剂单日仅能完成一次水收集循环（WHC），产水量低；此前研究多关注吸附剂平衡吸水容量和等温线形状，忽视循环动力学。
2.本文创新：聚焦吸附剂水吸附动力学，发现MOF-303具快速吸附-解吸特性；设计新型水收集器，实现多循环连续运行，且可太阳能供电，大幅提升产水效率。

实验部分：
1.材料合成实验：①MOF-303：将3,5-吡唑二甲酸一水合物溶于去离子水与LiOH溶液，120℃加热30分钟，加AlCl₃·6H₂O超声溶解，100℃反应15小时，过滤洗涤后 Soxhlet 萃取、真空干燥，得3.6g纯品。②Al-富马酸盐：富马酸与AlCl₃·6H₂O溶于KOH溶液，100℃孵育12小时，多次水洗、甲醇洗得产品。SAPO-34和13X沸石购自商用渠道，所有样品使用前真空高温活化。
2.动态吸水性能测试：用热重分析仪（TGA），以250mL·min⁻¹氮气流，调节干湿氮气流比控制湿度，测试材料在30℃、20%-40%相对湿度下的吸附，及65-120℃、0%相对湿度下的解吸；MOF-303在20%相对湿度下10分钟饱和，85℃下数分钟完全再生。
3.水收集器性能测试：组装含0.433kg MOF-303的交换器，连接冷凝器，室内27℃、32%相对湿度下连续运行24小时，9次循环产水1.3L·kgMOF⁻¹；莫哈韦沙漠3天测试，平均产水0.7L·kgMOF⁻¹·d⁻¹。

分析测试：
1.粉末X射线衍射（PXRD）：用Bruker D8 Advance衍射仪（Cu Kα1辐射）测试，MOF-303、Al-富马酸盐、SAPO-34、13X沸石均显示特征衍射峰，证明晶体结构完整。
2.氩吸附分析：Quantachrome AUTOSORB-1分析仪，87K下测试，MOF-303 BET比表面积1119m²·g⁻¹、孔容0.580cm³·g⁻¹；Al-富马酸盐BET比表面积1080m²·g⁻¹、孔容0.574cm³·g⁻¹；SAPO-34 BET比表面积931m²·g⁻¹、孔容0.398cm³·g⁻¹；13X沸石BET比表面积1077m²·g⁻¹、孔容0.393cm³·g⁻¹，NLDFT拟合误差小，表明孔径分布均一。
3.水吸附等温线与吸附热：BEL Japan BELSORP-aqua3测试，MOF-303在20%相对湿度下吸水39wt%，吸附热~52kJ·mol⁻¹，且吸附-解吸滞后小，利于循环使用。
4.扫描电镜（SEM）：FEI Quanta 3D FEG电镜（10kV加速电压，10.8mm工作距离）观察，四种材料晶粒尺寸2-5μm，形貌均一，利于传质。
5.密度测定：氦比重瓶测试，MOF-303骨架密度1.77g·cm⁻³、粉末密度0.873g·cm⁻³；Al-富马酸盐骨架密度1.66g·cm⁻³、粉末密度0.850g·cm⁻³，交换器中填充孔隙率~0.7，与TGA实验一致，保证实验可比性。

总结：
1.主要研究结果：MOF-303具快速水吸附-解吸动力学；基于其的水收集器在室内和沙漠环境均实现高效产水。
2.创新突破：发现MOF-303的优异动态性能；设计可多循环连续运行的水收集器，产水效率大幅提升。
3.潜在意义：为干旱地区供水提供可行方案，推动吸附辅助空气集水技术实用化。

Rapid Cycling and Exceptional Yield in a Metal-Organic Framework Water Harvester
文章作者：Nikita Hanikel, Mathieu S. Prévot, Farhad Fathieh, Eugene A. Kapustin, Hao Lyu, Haoze Wang, Nicolas J. Diercks, T. Grant Glover, Omar M. Yaghi
DOI：10.1021/acscentsci.9b00745
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.9b00745

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