摘要
清华大学王海辉、西安交通大学应鹏华，华南理工大学李理波、魏嫣莹团队在Nano Letters 2026年发表相关研究，阐述了几种经典MOFs材料（ZIF-90、ZIF-8、ZIF-67、UiO-66）中可冷凝水分子的传输规律。研究发现水分子扩散系数呈现独特的非单调负载量依赖性：中低负载量下水分子聚集成团，扩散能力随负载量提升持续下降；高负载量下水分子形成连续延伸网络，扩散速率显著提升。该行为与非冷凝性分子扩散规律截然相反，且与水的汽化焓高度相关，证实水分子间相互作用是调控MOF内水扩散的核心因素。


研究背景
1. 行业问题：
1) 水分子负载量与其扩散行为的演变规律、空间分布的内在关联机制尚未明确，极大限制了MOF基水环境功能材料的精准设计与性能优化。
2) 针对MOF水环境模拟的模型精度缺乏系统验证，且分子间、分子与框架间相互作用对水扩散的调控机制尚无统一定论。
2. 本文创新：
首次系统揭示MOF内水分子独特的非单调扩散规律。阐明了水分子从团簇聚集到连续网络的结构演变过程，明确水分子间相互作用的主导地位，且证实该机制适用于多种拓扑结构的主流MOF材料，填补了可冷凝分子在MOF纳米受限空间传输机制的研究空白。



实验分析
1. MOF内水分子存在“团簇-网络”的阶段性演变规律：
1) 低负载量时，水分子依靠强分子间氢键自发聚集于单笼内，形成稳定团簇，难以跨越笼间六元环窗口扩散；随着负载量提升，水团簇逐步填满单笼并向相邻笼扩张；
2) 达到320 H₂O分子/超胞的临界负载量时，笼间水分子通过窗口连通，形成贯穿晶体的连续延伸网络，彻底改变传输模式。
3) 而非冷凝分子分子间作用力极弱，全程保持均匀分布，无团簇与网络演变行为。
2. 水分子扩散的四阶段变化由传输模式主导：
1) 低负载量以单笼内扩散为主，少量自由分子跃迁，扩散速率偏低；中负载量水团簇长大，笼间跃迁能垒升高，局域扩散受限，扩散系数降至最低；
2) 高负载量连续水网络形成，笼间扩散能垒大幅降低，全局扩散通道打通，扩散速率显著提升；
3) 过载状态下水分子空间拥挤，分子碰撞堵塞传输通道，扩散性能再次衰减。
3. 水分子间氢键作用是核心调控因素：
1) 汽化焓越高，分子间作用力越强，低负载量越易形成稳定团簇、抑制扩散，高负载量易造成分子拥堵、阻碍传输。
2) 同时MOF-水相互作用存在负载依赖性调控规律，低负载下弱框架作用利于团簇形成，
3) 高负载下弱作用可减少网络扩散阻力，而柔性框架可辅助水分子跃迁、提升扩散效率。
4) 该机制在ZIF-8、ZIF-67、UiO-66中普遍适用，具备广谱通用性。


总结
不同于传统认知，水分子在 MOF 孔道中随负载增加会形成“扩展网络”，实现快速扩散，扩散系数最高提升 7 倍。该研究揭示了可凝结分子在纳米限域下的独特传输机制，为大气集水、同位素分离提供了关键理论支撑。


文章标题：Rapid Water Diffusion through Extended Networks in MOFs
文章作者：Xitai Cai, Wufeng Wu, Penghua Ying, Libo Li, Yuhan Yang, Ruijun Liang, Yanying Wei, Haihui Wang
DOI：10.1021/acsmaterialslett.6b01196
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.6c00988

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华南理工/天津大学团队发表 MOF 水扩散新发现！不同于传统认知，水分子在 MOF 孔道中随负载增加会形成“扩展网络”，实现快速扩散，扩散系数最高提升 7 倍。该研究揭示了可凝结分子在纳米限域下的独特传输机制，为大气集水、同位素分离提供了关键理论支撑。