近日，制冷与低温工程研究所ITEWA创新团队在Cell Press旗下Cell Reports Physical Science发表了题为“A regulation strategy of sorbent stepwise position for boosting atmospheric water harvesting in arid area”的研究论文，提出在吸附侧构建冷源调控介孔MOF吸湿阶跃区间的新策略，可拓宽高吸湿量介孔材料在空气取水应用中的适用范围。论文第一作者是博士生冯耀辉和葛天舒教授，通讯作者是葛天舒教授和王如竹教授。
孔道结构和金属有机框架MOF在空气取水技术中得到广泛关注，然而，在干旱工况下（<30%RH）实现水分捕集对材料有着更高的要求。微孔MOF因其吸附阶跃点靠前，可以实现在低湿环境下吸水，而其吸附量却有所限制（<0.45g/g，25°C，30%RH）。基于此，将吸湿盐封装在MOF骨架中可以有效提高吸湿量（~0.6-0.77g/g），但盐的负载却改变了MOF本身具有的S型曲线特点，且泄露和腐蚀等问题始终存在。值得注意的是，在实际干旱工况中，气候条件随着日夜、季节波动变化，具有靠前阶跃的微孔MOF遇高湿情况时脱附变得极其困难，呈现线性吸附的盐复合材料只能是一种妥协之策。为此，在维持MOF特有S型曲线特点、高吸湿量和宽适用性之间始终没有找到有效的解决方案。
论文提出在吸附侧构建冷源从而改变孔道内及其附近的湿度环境，使得即使在外界干旱低湿的情况下，材料也可实现水分捕集，靠后的阶跃点迁移至更靠前的位置，将高吸湿性的介孔MOF在干旱工况吸湿的不可能性转变为可能性。论文通过材料筛选、合成表征、验证实验、部件性能和装置测试等不同尺度，探究了该思路在干旱地区实现“空气取水”的可行性，在典型干旱状态下（25°C 30%RH），吸湿量可突破1.05g/g，显著优于现有聚焦于干旱地区取水的单一吸附剂。这种通过外部冷源构建来调控吸湿阶跃区间的策略，没有改变材料本身具有的任何特性，既维持了其特有的S型吸附曲线，又可在低湿、高湿环境中使用，成为兼具高吸湿量与灵活时空适应性的优选之策，有望推动空气取水技术的落地实施与商业化应用。
研究工作得到国家自然科学基金优青项目和国家自然科学基金创新研究群体项目的资助。王如竹教授领衔的ITEWA创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。ITEWA创新团队成立3年来在Joule、Advanced Materials、Angewandte Chemie、ACS Energy Letters、ACS Central Science、ACS Materials Letters、Energy Storage Materials、Nano Energy、Water Research等期刊上发表系列跨学科交叉论文。
附：期刊简介
论文链接：https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(21)00276-9
