新型炭材料封面文章|大連理工大學陸安慧/郝廣平：金屬有機框架復合酚醛樹脂基整體式親水炭應用于空氣水捕集

主要內容

以多孔材料為基礎的吸附法水汽捕集技術，核心原理是夜間利用吸附劑吸附水蒸汽，白天通過太陽能加熱吸附劑使水蒸汽脫附并在冷凝器處發生冷凝。在干旱、低相對濕度的氣候下，具有比霧氣捕集更高的產率和比冷凝結露更高的熱效率，且裝置結構簡單能耗較低。該技術的關鍵在于構建具有較高吸附量、較低脫附溫度以及良好水熱穩定性的高性能吸附劑。炭材料由于具有良好的導熱性、水熱穩定性以及孔結構和表面化學可控等特點，被廣泛應用于吸附、分離、催化、儲能等領域。其中酚醛樹脂基整體式炭由于具有豐富且易于調控的孔結構、良好的機械強度、便于大批量制備以及低廉的價格等優勢，被廣泛用于炭材料的制備。但其親水性一般不佳，通過合理設計和精確控制表面化學、孔隙結構等方法可以實現親水性的加強，但經增強后的親水性仍有限，不利于對極性分子的親和，因而限制了其應用，也限制了其在吸附法空氣水捕集中的應用，故需要進一步研究提升其親水性的方法。

針對此問題，大連理工大學陸安慧教授和郝廣平教授課題組提出了一種親水強化的策略，選用具有高度交聯網絡結構的酚醛樹脂作為基底材料，通過在骨架中原位生長可生成親水位點的金屬有機框架(MOFs)作為前驅體，實現親水整體式炭材料的制備，并將其應用于太陽能驅動的吸附式空氣水捕集。在《新型炭材料》（New Carbon Materials）上發表研究論文“金屬有機框架復合酚醛樹脂基整體式親水炭應用于空氣水捕集”。

材料的合成通過將間苯二酚和甲醛溶解于水中經預聚使其一定程度交聯后，加入溶解于少量水和乙醇中的二水合氯化銅和4,4′-聯吡啶，形成金屬有機框架復合酚醛樹脂炭前驅體，經熱解和硝酸洗滌，得到整體式親水炭材料(圖1)。

圖1 親水炭材料的制備: (a) 制備示意圖, (b) 前驅體和炭材料實物圖

材料的結構和形貌表征如圖2所示。XRD譜圖表明在前驅體中Cu²⁺與4,4'-聯吡啶配位形成了結晶態的聚合物，熱解后銅以單質和氧化物的形式存在，經硝酸洗后銅被洗去。材料酸洗前后，都具有豐富的微孔結構，酸洗后樣品N₂低壓段(P/P₀<0.2)吸附量相比酸洗前降低，表明其比表面積和孔容有所降低，這是由于硝酸的強氧化性導致炭材料的邊緣產生了含氧官能團，從而降低了孔容和比表面積。然而CO₂吸附量相比酸洗前有所提升，因為炭材料中的銅以及銅的氧化物顆粒被洗去，形成了有利于吸附CO₂的微孔結構。SEM照片中可以看到在海綿狀酚醛聚合物骨架中，Cu²⁺與4,4'-聯吡啶配位得到了長條棱柱狀晶態結構分布于其中。水蒸汽吸附曲線表明酸洗后材料的親水性有明顯提升，在水中沉降速度的差距也能佐證這一點。

圖2 (a) 炭前驅體和 (b) 炭材料酸洗前后的XRD譜圖, (c) N₂和 (d) CO₂吸脫附等溫線(嵌圖為對應的孔徑分布圖), (e) CuBR4的SEM照片, (f) 水蒸汽吸脫附等溫線, (g) CuBR1-700與CuBR1-700-AW隨時間沉降效果對比圖

圖3展示了改性親水炭材料在太陽光照射下的模擬空氣水捕集性能測試結果。首先將炭材料在恒溫恒濕環境中吸附平衡，隨后將其在實際太陽光照射下開始空氣水捕集試驗。2 h的太陽光照射后，吸附劑可被加熱到80 °C以上，水蒸汽脫附并冷凝，在冷凝器處可見明顯的水滴凝結。

圖3 太陽光照下空氣水捕集: (a) 裝置結構示意圖, (b)裝置實物圖, (c) 實驗過程中吸附劑層紅外圖像 (d) 冷凝器處收集的水, (e) 實驗中裝置不同區域溫度變化

綜上，通過在酚醛樹脂聚合物骨架原位生長引入金屬有機配位框架結構，制備了表面親水性可調的整體式多孔炭。對熱解后的炭材料進行酸洗不僅可以除去金屬納米顆粒，形成微孔通道，還能在孔壁形成強極性位點。該交聯骨架親水強化的策略在提升了炭材料親水性的同時，保持了良好的機械強度和整體式形態，對整體式親水炭材料規模制備提供了新的思路。

文章信息

TANG Song-yuan, WANG Yong-sheng, YUAN Ya-fei, BA Ya-qi, WANG Li-qiu, HAO Guang-ping, LU An-hui. Hydrophilic carbon monoliths derived from metal-organic frameworks@resorcinol-formaldehyde resin for atmospheric water harvesting[J]. New Carbon Materials, 2022, 37(1): 237-244.

唐宋元，王永勝，原亞飛，巴雅琪，王立秋，郝廣平，陸安慧.?金屬有機框架復合酚醛樹脂基整體式親水炭應用于空氣水捕集[J]. 新型炭材料，2022, 37(1): 237-244.?

原文鏈接：http://xxtcl.sxicc.ac.cn/cn/article/doi/10.1016/S1872-5805(22)60576-6

通訊作者簡介

陸安慧，大連理工大學教授，大連理工大學校長助理，精細化工國家重點實驗室副主任，遼寧省低碳資源高值化利用重點實驗室主任，國家杰出青年科學基金獲得者、教育部長江學者特聘教授、中組部“萬人計劃”入選者、科技部中青年科技創新領軍人才。2001年畢業于中科院山西煤化所，獲博士學位。先后在德國馬普學會煤化學所做博士后、洪堡學者、課題組長。主要從事多孔材料的設計合成及其在低碳烷烴的催化轉化，氣體吸附分離，儲能等領域的應用研究，在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等國際學術期刊上發表論文260余篇，論文被引用24000余次；獲中、美、歐授權發明專利40項。近年來主持國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點、國際合作重點、面上、企業委托項目等縱橫科技項目。獲得遼寧省自然科學一等獎（第一完成人）、第八屆中國化學會巴斯夫公司青年知識創新獎等。

郝廣平，大連理工大學教授，博士生導師，2013年畢業于大連理工大學，獲博士學位；2013-2018年，先后在德累斯頓工業大學、曼徹斯特大學做博士后、洪堡學者、居里學者。主要致力于能源化工基礎與應用，研究方向為多孔材料與氣體吸附分離、電催化材料與過程等。已在Nat. Nanotech.、JACS、Angew?Chemie、新型炭材料、化工學報等期刊發表同行評審論文50余篇。入選國家海外高層次人才引進計劃青年項目、遼寧省“興遼計劃”青年拔尖人才、遼寧省優秀博士論文；獲遼寧省自然科學一等獎，教育部博士研究生學術新人獎等。

期刊信息

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影響因子：3.7（2021年度）

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