Omar M. Yaghi等最新Science：利用太阳光从空气中收集水资源的金属-有机框架器件

【引言】

全球范围内2/3的人口存在水资源短缺的问题，然而空气中的水蒸气和液滴约占全球湖泊等淡水资源的10%，有13000万亿余升，如果能够有效利用，将会为解决水资源紧缺问题提供有效的解决方案。目前为止仍未开发出一条有效的能够在较低湿度条件下（20%以下）捕获并输送空气中的水资源的方案，理论上来说，利用吸收少许能量（如太阳光）就能完成空气中水分吸收和传递的材料，制成水吸收器件将是不错的选择。

【成果简介】

北京时间2017年4月14日，来自美国加州大学伯克利分校的Omar M. Yaghi教授和美国麻省理工学院的Evelyn N. Wang学者（共同通讯作者）在Science上发表了题为“Water harvesting from air with metal-organic frameworks powered by natural sunlight”的文章，介绍了该课题组在金属-有机框架（MOF）用于水收集领域的成果。他们设计了介孔MOF-801 [Zr₆O₄(OH)₄(富马酸)₆] ，通过表征后证明它可以在潮湿空气中接受1 kW m^-2强度的太阳光照射下捕获水。相对湿度为20%时，每公斤MOF可实现在没有外界能量供应时，每天收集2.8升水的效果。

【图文导读】

图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 ℃条件下收集水的等温线，可以看出相对湿度发生很小变化时，吸附容量都会迅速增加。

B.25 ℃和65 ℃条件下MOF-801的水吸附等温线，说明温度变化会引起集水效率的变化

C.MOF水收集系统示意图

D.Zr₆O₄(OH)₄(-CO₂)₁₂次级结构单元链接富马酸后形成MOF-801的模拟图

图2.MOF-801集水系统的吸附-解吸附循环表征

A.MOF-801层和冷凝器的照片

B.等压条件进行蒸气吸附解吸实验的原理图，太阳辐射通量入射在吸收体上，进行解吸附作用，其吸收比为0.91，解吸蒸汽被浓缩的同时在冷凝器里取水

C.在集水周期中，温度和蒸汽压力的关于时间的函数

D.解吸附作用期间，实验表征集水率（L kg^–1 s^–1）和累计收获水量（L kg^–1）的测量

图3.潮湿空气中MOF-801集水系统吸附-解吸动力学表征

填料的孔隙率（ε）为0.7，太阳通量为 1 kW m^–2条件下，1-5 mm厚度的MOF-801的吸附-解吸动力学预测。

图4.集水原型概念的实验证明

A.活性MOF-801集水原型的照片，填料的孔隙率为85，重量为1.34 g，高 7  cm，截面积为  7 cm × 4.5 cm.

B.一天时间里在MOF器件上形成液滴的温度及时间

C.MOF-801的代表性的温度分布图（红色实线为实验组，虚线为预测数据）；环境空气（灰线）；冷凝器（蓝线）；环境空气露点（绿线）；太阳通量（紫线），对他们做一天内关于时间的函数。

【小结】

MOF在水收集领域的应用在近几年刚刚出现，但成果显著。本文作者设计的MOF器件，在相对湿度为20%的条件下，获得了每千克MOF每天收集2.8升水的优异成果。水是生命之源，在水资源污染和匮乏的当下，MOF水收集系统为人们缓解淡水紧缺的难题提供了值得借鉴的解决方案。

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

本文由材料人学术组 YueZhou 供稿，材料牛编辑整理。

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