南大Nat. Nanotechnol.：MOF衍生納米多孔碳高效大氣集水

一、【導讀】

基于吸附的大氣集水（atmospheric water harvesting, AWH）從環境中收集水，是在缺水地區提供清潔水的一種有前途的方法。目前，干旱地區基于被動吸附的AWH的最新水生產率相對較低（~0.1 L kg^-1 day^-1），無法滿足實際需求。因此，非常需要開發具有內在快速吸附-解吸動力學的吸附劑，用于被動收割機中的高產AWH。在各種吸附劑材料中，碳質材料因其超高孔隙率、高表面積和化學穩定性而被廣泛用于氣體吸附，但是將碳質吸附劑用于AWH仍然具有挑戰性，因為水和碳之間固有的低親和力。通過金屬有機框架（MOF）前體的熱轉化合成納米多孔碳，保持了高親水性，可在低相對濕度（RH）下捕獲水蒸氣，同時納米多孔碳的優異光熱性能可以實現太陽能驅動的快速解吸。因此，MOF衍生的納米多孔碳在實現高產和節能的AWH方面具有很大的前景。實現高產水收集的關鍵是實現快速的水吸附-解吸動力學，但由于多步吸附機制的復雜性，納米多孔碳的結構活性與水吸附動力學的關系仍然缺乏研究。此外，有必要系統地探索結構因素如何影響吸附劑中水的所有擴散步驟，以設計和制備能夠快速循環并因此獲得更高產率的納米多孔碳。

二、【成果掠影】

近日，南京大學朱嘉教授和徐凝助理研究員（共同通訊作者）等人報道了一種MOF衍生的納米多孔碳，其具有快速擴散的水通道和優異的光熱性能，可以實現高產太陽能驅動的AWH。作者首先揭示了主要結構因素對吸附動力學的影響。理論模型表明，具有40%的結合位點密度和約1.0 nm孔徑的納米多孔碳的整體擴散阻力最小，因而能夠實現最佳吸附動力學。作者選擇鹵化銅MOF（[Cu(4, 4’-bipy)₂Cl₂]_n）作為起始材料，利用蒸汽選擇性蝕刻方法來精確控制吸附劑的結構，從而制備了一種基于MOF衍生的納米多孔碳的被動、快速循環集水器，在30% RH下實現了0.18 L kg_carbon^-1 h^-1的高產水率，而太陽能作為唯一的能量輸入。該工作所提出的設計策略有助于為先進的淡水發電系統開發高產、太陽能驅動的AWH。研究成果以題為“High-yield solar-driven atmospheric water harvesting of metal-organic-framework-derived nanoporous carbon with fast-diffusion water channels”發布在國際著名期刊Nature Nanotechnology上。

三、【核心創新點】

1、該納米多孔碳具有快速擴散的水通道和優異的光熱性能，可實現高產太陽能驅動的AWH。

2、該納米多孔碳在30% RH下實現了0.18 L kg_carbon^-1 h^-1的高產水率，太陽能作為唯一的能量輸入

四、【數據概覽】

圖一、水蒸氣在納米多孔碳中的擴散過程 ??2022 Springer Nature Limited
（a）通過微孔吸附劑的AWH一系列納米級傳質現象：體擴散（i）、表面擴散（ii）、外部滲透（iii）、內部擴散（iv）和水釋放（v）；

（b-d）具有各種幾何和化學性質的狹縫狀碳孔模型中H₂O擴散過程的能壘。

圖二、蒸汽選擇性蝕刻對納米多孔碳進行結構和成分分析??2022 Springer Nature Limited
（a）鹵化銅 MOF ([Cu(4, 4'-bipy)₂Cl₂]_n) 的納米多孔碳的合成示意圖；

（b）蒸汽選擇性蝕刻后，利用XPS分析多孔產品；

（c-e）Steam-80 樣品的C 1s、N 1s和O 1s 的高分辨率XPS數據；

（f）MOF衍生的納米多孔碳樣品的孔徑分布；

（g）Steam-80的TEM圖像；

（h）左軸、水飽和Steam-80在一次太陽照射下的溫度分布。

圖三、納米多孔碳的AWH性能和操作穩定性??2022 Springer Nature Limited
（a）比較不同納米多孔碳樣品在20-50% RH下的吸水率；

（b）Steam-80在25 °C和20-50% RH下的水吸附-解吸測試；

（c）Steam-80和碳樣品在25?°C和30% RH下的水吸附，碳樣品在 1000?°C下碳化；

（d）在25 °C和50% RH下在Steam-80上進行的循環實驗。

圖四、實用的AWH ??2022 Springer Nature Limited
（a）具有MOF衍生的納米多孔碳的集水器的圖像；

（b）側壁上水滴的形成、生長和聚結隨解吸時間的變化；

（c）每次循環的集水生產力、太陽通量、環境RH和溫度的示意圖；

（d）比較單日光照下納米多孔碳與最先進吸附劑的產水率。

五、【成果啟示】

綜上所述，作者展示了MOF衍生的納米多孔碳，其具有高容量和快速動態，可用于快速響應太陽能驅動的AWH。基于這種納米多孔碳的AWH收集器在45 min內吸收了0.18 L kg_carbon^-1的水，并在單日光照下在10 min內釋放所有捕獲的水，這是已報道的最高值之一。分子設計和實驗確認的結合表明，納米多孔碳的有利結構（吸附位點密度為40%，孔徑約為1.0 nm）降低了水的擴散阻力，從而加速了吸附動力學。由于這種方法可以推廣到各種碳質材料，因此該基本原理有望為未來使用MOF衍生的納米材料從空氣中收集水的發展提供一條有希望的途徑。

文獻鏈接：High-yield solar-driven atmospheric water harvesting of metal-organic-framework-derived nanoporous carbon with fast-diffusion water channels. Nature Nanotechnology, 2022, DOI: 10.1038/s41565-022-01135-y.

本文由CQR編譯。

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