稳健铝基金属有机框架的合理设计及其多用途水吸附驱动热分配应用

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摘要：
本文通过计算预测与实验结合，开发出铝基多孔羧酸盐金属有机框架KMF-1，其水吸附呈阶梯型等温线，具备超高体积工作容量、能量容量及优异制冷/制热性能系数，再生温度低、循环稳定性好，是适用于储热、制冷和制热的多功能水吸附剂。

研究背景：
1. 行业问题和研究现状：传统水吸附剂存在亲水性不当、再生温度高、工作容量低等缺陷；现有MOF材料虽有改进，但在工作容量、环保性或稳定性上仍有不足。
2. 本文创新：设计含2,5-吡咯二甲酸配体的一维通道型Al-MOF，通过引入极性-NH基团微调孔隙亲水性，采用绿色高收率合成路线，实现性能突破。

实验部分：
1. KMF-1合成：将硫酸铝水溶液与2,5-吡咯二甲酸和氢氧化钠混合液回流12h（120℃），过滤后经水和乙醇纯化，收率93%，时空产率68kg/(m³·d)。
2. 吸附-脱附循环实验：在30℃、35%RH下吸附，70℃（4.8%RH）和100℃（1.4%RH）下脱附，完成50次循环测试，性能保持稳定。
3. 动态吸附性能测试：将KMF-1造粒后负载于平板铝换热器，在不同蒸发、冷凝、再生温度下测试制冷/制热功率。

分析测试：
1. 晶体结构分析：水合态为四方晶系（I4₁md），a=21.1772Å、c=10.70115Å；无水态为I4₁/amd空间群，揭示1D方形通道结构。
2. 孔隙特性测试：BET比表面积1130m²/g，孔容0.473cm³/g，氮气吸附-脱附等温线证实永久多孔性。
3. 水吸附测试：30℃、P/P⁰=0.13-0.20时吸附量0.393g/g，吸附焓52-57kJ/mol，饱和时每个水分子形成2.7个氢键。
4. 稳定性测试：热稳定性达300℃，在pH1-12溶液及沸水条件下结构完整，循环50次性能无衰减。
5. 热力学测试：制冷COP达0.75，制热COP1.74，体积储能容量348kWh/m³，SCPmax达3.74kW/kg。

总结：
1. 主要结果：KMF-1在水吸附容量、能量效率、稳定性上全面超越现有材料。
2. 创新突破：绿色合成、低再生温度与高综合性能兼具，实现制冷制热多功能应用。
3. 潜在意义：为太阳能/余热利用的环保型热分配技术提供关键材料支撑。

Rational design of a robust aluminum metal-organic framework for multipurpose water-sorption-driven heat allocations
文章作者：Kyung Ho Cho, D. Damasceno Borges, U-Hwang Lee, et al.
DOI：10.1038/s41467-020-18968-7
文章链接：https://www.nature.com/naturecommunications/articles/s41467-020-18968-7

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