【MOF-303】MOF集水器在环境阳光下从沙漠干燥空气中集水

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摘要：
本文设计、制造了一种基于金属有机框架（MOF）的新型集水器，并在加州死亡谷国家公园和伯克利两地测试。该集水器在两地日集水能力分别达210g H₂O/kg MOF-303、285g H₂O/kg MOF-303，其MOF柱和冷凝器的独特结构实现高效吸水集水，仅靠环境阳光供能，集水量是此前被动式MOF集水器的两倍，为解决水资源短缺问题提供可能。

研究背景：
1.行业问题和研究现状：2050年超50亿人将面临水资源短缺，气候变化加剧此问题；海水淡化需集中供水设施，无法覆盖偏远地区。现有基于MOF、多孔聚合物等的大气集水系统多需供电，仅一种被动式系统曾在沙漠测试。
2.本文创新：聚焦提高MOF床体积表面积比、优化MOF床组件散热、改进冷凝器加速冷凝；MOF柱设计保证体积表面积比恒定，提升可扩展性。

实验部分：
1.MOF-303合成与MOF₈₅-G₁₅制备：将H₂PZDC溶于水加NaOH，超声后加AlCl₃·6H₂O，100℃加热24h，离心洗涤干燥活化；MOF-303与15wt%石墨混合研磨，78MPa压2分钟制得MOF₈₅-G₁₅。结果：MOF₈₅-G₁₅保留MOF-303 85%以上表面积和吸水能力。
2.装置设计制造：用SOLIDWORKS设计，PMMA管制MOF外壳，Al管加工MOF柱托盘槽并涂导电漆，3D打印其他部件，用两个Al散热器作冷凝器。结果：装置结构满足集水需求，真空层减少热损失。
3.实验室与现场测试：实验室中，MOF柱140℃活化16h以上，20℃、35%RH吸附8h，再暴露于4000K、950W/m²光7h；现场测试在伯克利（6月）和死亡谷（8月）进行，夜间MOF柱露天吸水，白天组装装置测试。结果：伯克利日集水285g H₂O/kg MOF-303，死亡谷极端条件下仍能集水，最高210g H₂O/kg MOF-303。

分析测试：
1.PXRD分析：用Rigaku Miniflex 600衍射仪，Cu Kα线（λ=1.5418Å），40kV、40mA。结果：MOF₈₅-G₁₅等样品保留MOF-303特征峰，证明晶体结构完好。
2.N₂ BET表面积测试：用ASAP 2420分析仪。结果：MOF₈₅-G₁₅ BET表面积955m²/g（对应MOF-303为1120m²/g）。
3.SEM观察：FEI Quanta 3D FEG扫描电镜，10kV加速电压，10mm工作距离。结果：观察到MOF₈₅-G₁₅颗粒形貌，多孔结构利于吸水。
4.接触角测量：自制装置，滴10μl水拍照，ImageJ分析。结果：Al、PTFE、CNF/PTFE涂层接触角分别为66°±2.8°、103°±1.1°、144°±0.5°，CNF/PTFE涂层疏水性最强。
5.热与能量传递模拟：COMSOL软件，导入装置几何模型，用多个模块模拟。结果：7h光照下MOF床温达70℃，MOF与冷凝器温差超35℃，利于解吸和冷凝。
6.吸水性能测试：MOF柱140℃活化24h，25℃、40%RH下测重量变化。结果：35g MOF-303 2h内重量增加32wt%，不同MOF用量吸水效率一致。
7.总结：这些结果表明MOF材料结构稳定、多孔性好，装置散热和冷凝设计合理，MOF柱吸水效率高且可扩展，为集水性能提供支撑。

总结：
1.主要研究结果：新型被动式MOF集水器在伯克利和死亡谷测试成功，极端条件下仍有良好集水能力，装置效率41%-66%。
2.创新突破：优化MOF柱和冷凝器设计，提升集水效率和可扩展性，集水量翻倍。
3.潜在意义和引用：为干旱地区提供离网供水方案，推动大气集水技术发展，相关设计和材料制备方法可为后续研究参考。

MOF water harvester produces water from Death Valley desert air in ambient sunlight
文章作者：Woochul Song, Zhiling Zheng, Ali H. Alawadhi, Omar M. Yaghi
DOI：10.1038/s44221-023-00103-7
文章链接：https://www.nature.com/articles/s44221-023-00103-7

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