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出手就是Nature Nanotech.，大神Omar M. Yaghi帶你空氣中捕獲淡水，見證MOF神奇！

兔兔 2020-05-06

為了有效地解決全球水資源短缺危機，必須開發(fā)更多生產(chǎn)淡水的方法。其中，提取大氣水分是一個強大的戰(zhàn)略，可以分散獲取飲用水。如果將適當(dāng)?shù)奈絼┘傻酱髿馑l(fā)生器中，就可以大大減少這種方法的能量需求以及時間和空間限制。

最近，金屬有機框架(MOFs)被成功地用作吸附劑，用于從空氣中收集水，即使在沙漠環(huán)境中，也能從大氣中生產(chǎn)水。有鑒于此，加州大學(xué)伯克利分校Omar M. Yaghi等人綜述了近年來從空氣中提取水分的MOFs的研究進展以及采用這種MOF的大氣集水器的設(shè)計。

圖1. 全球范圍內(nèi)，空氣冷卻產(chǎn)水的難易程度

集水的理想吸附劑需要滿足以下條件：

（1）在大量的水分吸收和釋放循環(huán)后保持其水分容量，

（2）在運行條件下具有較高的水吸附工作能力，

（3）具有低的再生（去除水分子）溫度，

（4）具有理想的動態(tài)吸水性能。

因此，除了水解回彈性外，MOF還必須表現(xiàn)出很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以承受水釋放過程中作用在孔隙壁上的毛細(xì)作用力。衡量MOF在運行條件下的穩(wěn)定性的最佳方法是進行水吸附-解吸循環(huán)實驗，對MOF的水解穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行考察。

圖2. 捕水MOFs設(shè)計

圖3. 2種MOFs捕水器設(shè)計

所有吸附劑輔助集水器都具有相同的基本原理：

首先，水蒸氣在吸附劑中濃縮。

然后，通過降低MOF周圍環(huán)境中水的相對蒸氣壓將其從吸附劑中釋放出來，這是由溫度或壓力波動引起的。

再將生成的濃縮水蒸氣冷凝以產(chǎn)生液態(tài)水。這種吸附劑輔助的水收集過程可以每天進行一次（單循環(huán)）或一天幾次（多循環(huán)）。

另外，水的釋放和凝結(jié)可以由外部能源驅(qū)動，例如通過在有源集水器中分別加熱MOF，蒸汽壓縮或熱電制冷。

圖4. 目前MOFs捕水的全方位最佳效果評估

小結(jié)

研究人員通過案例分析了最近MOF大氣集水器的設(shè)計，并指出了該領(lǐng)域目前的技術(shù)狀態(tài)和未來的方向。目前在理解MOFs的網(wǎng)狀化學(xué)與各自的靜態(tài)水吸附特性之間的關(guān)系方面取得了重大進展。此外，還設(shè)計了數(shù)個由MOF輔助的大氣集水器，并在沙漠環(huán)境中成功運行。盡管如此，在材料和器件的發(fā)展水平上，仍有許多研究機會來擴展這一新興和令人興奮的領(lǐng)域，如大規(guī)模生產(chǎn)和加工具有成本效益MOFs等。

參考文獻：

Nikita Hanikel, et al. MOF water harvesters. Nat. Nanotechnol. 2020.

DOI: 10.1038/s41565-020-0673-x.

https://doi.org/10.1038/s41565-020-0673-x

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