【MOF吸水与热交换】MFM-300作为水吸附驱动冷却的高性能吸附剂

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英国曼彻斯特大学Martin Schröder、北京大学杨四海教授课题组等报道的本篇文章（J. Am. Chem. Soc. 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c16752）中，开发了MFM-300(M)（M=Al, Fe, Cr, V）金属有机框架（MOF）作为水吸附驱动冷却（ADC）的高效吸附剂。该材料在超低驱动温度（62°C）下实现冷却性能系数（COP）达0.8，并通过中子粉末衍射（NPD）、固态核磁共振（ssNMR）和理论计算揭示了其水吸附机制。研究表明，MFM-300系列材料具有高循环稳定性、高水吸附容量（0.31–0.35 g·g⁻¹）和低再生温度，为利用低品位热能驱动冷却提供了新方案。

研究背景
1.行业问题：
现有吸附冷却技术中，硅胶和沸石等吸附剂存在工作容量低（<0.3 g·g⁻¹）和再生温度高（>80°C）的瓶颈。
2.研究现状：
1) MOF材料（如MIL-160、CAU-10）因可设计孔隙和功能位点被用于水吸附，但多数材料需较高再生温度或存在稳定性不足问题。
2) 已有研究通过引入羟基或亲水位点提升吸附性能，但对吸附机制的系统解析不足。
3.本文创新：
1) 提出MFM-300系列MOF，通过羟基修饰孔道和优化氢键网络实现高吸附容量与低再生温度；
2) 结合多尺度表征技术（NPD、ssNMR、INS）阐明水分子在孔道内的动态吸附机制；
3) 验证材料在沸水浸泡和20次循环后仍保持结构稳定性，推动实际应用。

实验与分析
1.材料合成：MFM-300(M)通过溶剂热法合成，经453 K真空活化后获得开放孔道结构。
2. 结构表征：
中子粉末衍射（NPD）显示水分子在孔道中分三阶段吸附（孤立→氢键链→簇状填充），羟基与水分子形成2.01–2.32 Å氢键；BET比表面积>1000 m²/g，孔径约1.2 nm。
3.性能测试：
1) 稳定性：沸水中浸泡5天或20次吸附-脱附循环后，PXRD和吸附容量无显著变化。
2) 吸附容量：30°C、P/P₀=0.3时，MFM-300(Al)水吸附量达0.33 g·g⁻¹，优于硅胶（0.29 g·g⁻¹）和SAPO-34沸石（0.29 g·g⁻¹）。
3) COP与再生温度：空气调节工况（T_ev=10°C, T_con=30°C）下，COP达0.8，再生温度低至62°C（商用材料通常需>80°C）。
4) 动力学：吸附等温线呈单步陡峭型（P/P₀≈0.2），脱附焓49 kJ·mol⁻¹，表明易于再生。
4.机理分析：
1) 结构优势：羟基修饰孔道通过氢键锚定水分子，弱化框架-水相互作用，降低脱附能耗；
2) 动态行为：ssNMR和INS显示水分子快速旋转与三维跳跃，促进高效吸附/脱附循环；
3) 热力学：Clausius-Clapeyron方程拟合表明适中的吸附焓平衡了高容量与低再生温度需求。

总结
1.MFM-300系列材料在62°C下实现COP 0.8，水吸附量达0.35 g·g⁻¹，兼具高稳定性和低能耗。
2.首次通过原位中子衍射揭示水分子动态吸附路径，为MOF设计提供新思路。
3.推动低品位热能在制冷领域的应用，助力碳中和目标；材料可扩展合成（公斤级）支持商业化。

MFM-300 as High-Performance Sorbents for Water-Adsorption-Driven Cooling
文章作者: Xue Han*, Yinlin Chen, Jiangnan Li, Wanpeng Lu, Wenyuan Huang, Yuanjun Wang, Guixiang Wang, Ivan da Silva, Yongqiang Cheng, Luke L. Daemen, Pascal Manuel, Anibal J. Ramirez-Cuesta, Daniel Lee, Sihai Yang*, Martin Schröder*
DOI: 10.1021/jacs.4c16752
链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c16752

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