【MOF空气集水】协同MOF基复合材料实现基于大气集水的太阳能制水效率跃升

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摘要：
上海交通大学王如竹老师和中山大学周东东、张杰鹏老师等报道的本篇文章（Nat Commun (2026)）中提出了一种 Hygroscopic salt-MOF 协同复合策略，通过将LiCl的低汽化焓与Ni₂Cl₂(BTDD) MOF的高吸附容量及稳定性相结合，构建了高性能复合吸附剂LiCl@Ni₂Cl₂(BTDD)。该材料突破传统吸附剂高解吸温度瓶颈，器件级解吸温度可低于60℃（传统MOF体系通常>90℃），同时延长高湿度环境吸附时长，在上海、济南、昆明等不同气候区的实地测试中表现出卓越的环境适应性，大陆性气候下太阳能制水效率提升高达91%，为太阳能驱动大气集水（SAWH）技术的广泛应用提供了通用且高效的解决方案。

研究背景：
1. 行业问题
全球超40亿人面临淡水短缺，而大气中蕴含丰富水汽资源，但SAWH技术的实际应用受两大核心问题制约：夜间高湿度吸附窗口未被充分利用，传统吸附剂需高温解吸（通常>90℃）导致日间解吸不充分；无机吸湿盐（如LiCl）虽吸附容量高，但易团聚、泄漏，循环稳定性差，MOF材料则存在孔容有限、吸附容量不足的问题。
2. 研究现状
现有盐-MOF复合吸附剂（如LiCl@MIL-101、LiCl@UiO-66）虽能提升吸附性能，但在30% RH下吸附容量不超过0.77 g g⁻¹，80% RH下不超过2.56 g g⁻¹，且MOF骨架缺乏同时稳定Li⁺和Cl⁻的强结合位点；SAWH器件多依赖高辐照强度实现解吸，在实际波动光照条件下性能衰减明显，气候适应性不足。
3. 本文创新
首次选用Ni₂Cl₂(BTDD) MOF作为基质，其孔道中完全暴露的Ni²⁺和Cl⁻位点可分别稳定Cl⁻和Li⁺，实现LiCl的均匀分散与固定；通过浸渍法构建复合吸附剂，协同LiCl的高吸附容量与MOF的结构稳定性，降低解吸温度的同时避免盐泄漏；设计模块化光热驱动器件，通过双层隔热传质板实现解吸与冷凝的热需求解耦，适配不同气候区的实际应用场景。

实验和分析：
1. 材料合成
采用回流法合成Ni₂Cl₂(BTDD) MOF后，将其浸入10-40 wt% LiCl溶液中室温浸渍24小时，经离心分离、80℃干燥得到复合吸附剂LiCl@Ni₂Cl₂(BTDD)_x（x=10/20/30/40）。其中30 wt% LiCl浓度为最优配方，可平衡高吸附容量与快速吸附动力学。

2. 结构表征
1）PXRD与SEM：衍射峰轻微偏移及形貌分析证实LiCl成功负载于MOF孔道内，未破坏MOF晶体结构。
2）N₂吸附-脱附：Ni₂Cl₂(BTDD)的BET比表面积为1839 m² g⁻¹，孔容1.18 cm³ g⁻¹，负载LiCl后复合材料的BET比表面积为504 m² g⁻¹，孔容0.35 cm³ g⁻¹，孔径从2.20 nm缩减至1.66 nm，表明孔道表面形成单层LiCl。
3）ICP-OES与TOF-SIMS：LiCl与Ni₂Cl₂(BTDD)的摩尔比约为14:1，Li元素在MOF中均匀分布，证实无盐团聚现象。
4）稳定性测试：经10次吸附-解吸循环后，水吸附容量仍保持在3 g g⁻¹以上，热稳定性良好，无盐泄漏。

3. 应用性能测试
1）吸附-解吸性能：30℃、80% RH下吸附容量达3.46 g g⁻¹，50% RH下为1.72 g g⁻¹；60℃下即可实现94.7%的解吸率，显著低于传统MOF体系。
2）器件性能：实验室条件下，7小时内单位面积产水量超1 L m⁻²，体积产水密度达30.3 L m⁻³，热效率提升25%；400 W m⁻²低辐照强度下仍实现500 g m⁻²以上产水量，12次循环测试中产水量稳定在42 g左右，水汽回收率超90%。
3）实地测试：上海（亚热带湿润气候）、济南（大陆性气候）、昆明（高原亚热带气候）三地测试中，复合体系产水量较纯MOF体系提升46%-91%，昆明冬季60℃驱动温度下仍能高效制水，产水水质符合WHO标准，未检测到Li⁺、Ni²⁺等离子。

4. 机理分析
1）协同吸附机制：复合吸附剂呈现三步吸附行为，低湿度下LiCl化学吸附、中湿度下LiCl潮解、高湿度下LiCl溶液吸收，大幅提升全湿度范围吸附容量。
2）低温柔性解吸：孔道限制的LiCl溶液具有低汽化焓，降低了解吸能量壁垒，实现器件级低温解吸，同时缓解光热板过热问题，温度降低约10℃。
3）器件热管理：模块化设计与双层隔热传质板有效隔离解吸与冷凝的温度干扰，增强热质传递效率，适配夜间长时吸附与日间波动光照解吸的自然循环。

总结：
1. 成功构建LiCl@Ni₂Cl₂(BTDD)复合吸附剂，实现3.46 g g⁻¹的高吸附容量与60℃低温解吸的协同优势，循环稳定性优异，无盐泄漏问题。
2. 设计的模块化SAWH器件体积产水密度达30.3 L m⁻³，在不同气候区实地测试中产水量提升46%-91%，适配湿润、大陆性、高原等多样气候环境。
3. 该复合策略为SAWH技术提供了材料-器件一体化解决方案，既突破传统吸附剂的性能瓶颈，又实现了实际应用场景的气候适应性，为 decentralized供水提供了高效、可靠的技术支撑。

Synergistic MOF-based Composite Enabling Significant Solar-to-Water Generation Enhancement in Climate-Resilient AWH
文章作者：Zhao Shao, Xi Feng, Primož Poredoš, Boxiong Jiang, Wen-Yu Su, Haotian Lv, Zhi-Shuo Wang, Hongbin Wang, Shuai Du, Dong-Dong Zhou, Jie-Peng Zhang, Ruzhu Wang
DOI：10.1038/s41467-026-68946-8
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-68946-8

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