Omar M. Yaghi等最新Science：利用太陽光從空氣中收集水資源的金屬-有機框架器件

【引言】

全球范圍內2/3的人口存在水資源短缺的問題，然而空氣中的水蒸氣和液滴約占全球湖泊等淡水資源的10%，有13000萬億余升，如果能夠有效利用，將會為解決水資源緊缺問題提供有效的解決方案。目前為止仍未開發出一條有效的能夠在較低濕度條件下（20%以下）捕獲并輸送空氣中的水資源的方案，理論上來說，利用吸收少許能量（如太陽光）就能完成空氣中水分吸收和傳遞的材料，制成水吸收器件將是不錯的選擇。

【成果簡介】

北京時間2017年4月14日，來自美國加州大學伯克利分校的Omar M. Yaghi教授和美國麻省理工學院的Evelyn N. Wang學者（共同通訊作者）在Science上發表了題為“Water harvesting from air with metal-organic frameworks powered by natural sunlight”的文章，介紹了該課題組在金屬-有機框架（MOF）用于水收集領域的成果。他們設計了介孔MOF-801 [Zr₆O₄(OH)₄(富馬酸)₆] ，通過表征后證明它可以在潮濕空氣中接受1 kW?m^-2強度的太陽光照射下捕獲水。相對濕度為20%時，每公斤MOF可實現在沒有外界能量供應時，每天收集2.8升水的效果。

【圖文導讀】

圖1. MOF的集水工作原理

A.Zr-基的MOFs(MOF-801, MOF-841, UiO-66, 和 PIZOF-2)在25 ℃條件下收集水的等溫線，可以看出相對濕度發生很小變化時，吸附容量都會迅速增加。

B.25 ℃和65 ℃條件下MOF-801的水吸附等溫線，說明溫度變化會引起集水效率的變化

C.MOF水收集系統示意圖

D.Zr₆O₄(OH)₄(-CO₂)₁₂次級結構單元鏈接富馬酸后形成MOF-801的模擬圖

圖2.MOF-801集水系統的吸附-解吸附循環表征

A.MOF-801層和冷凝器的照片

B.等壓條件進行蒸氣吸附解吸實驗的原理圖，太陽輻射通量入射在吸收體上，進行解吸附作用，其吸收比為0.91，解吸蒸汽被濃縮的同時在冷凝器里取水

C.在集水周期中，溫度和蒸汽壓力的關于時間的函數

D.解吸附作用期間，實驗表征集水率（L kg^–1?s^–1）和累計收獲水量（L kg^–1）的測量

圖3.潮濕空氣中MOF-801集水系統吸附-解吸動力學表征

填料的孔隙率（ε）為0.7，太陽通量為 1 kW m^–2條件下，1-5 mm厚度的MOF-801的吸附-解吸動力學預測。

圖4.集水原型概念的實驗證明

A.活性MOF-801集水原型的照片，填料的孔隙率為85，重量為1.34 g，高 7 ?cm，截面積為 ?7 cm × 4.5 cm.

B.一天時間里在MOF器件上形成液滴的溫度及時間

C.MOF-801的代表性的溫度分布圖（紅色實線為實驗組，虛線為預測數據）；環境空氣（灰線）；冷凝器（藍線）；環境空氣露點（綠線）；太陽通量（紫線），對他們做一天內關于時間的函數。

【小結】

MOF在水收集領域的應用在近幾年剛剛出現，但成果顯著。本文作者設計的MOF器件，在相對濕度為20%的條件下，獲得了每千克MOF每天收集2.8升水的優異成果。水是生命之源，在水資源污染和匱乏的當下，MOF水收集系統為人們緩解淡水緊缺的難題提供了值得借鑒的解決方案。

原文鏈接：Water harvesting from air with metal-organic frameworks powered by natural sunlight( Science? 2017,DOI:?10.1126/science.aam8743 )

本文由材料人學術組 YueZhou 供稿，材料牛編輯整理。

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