Nat. Commun.: 協同MOF復合材料實現廣氣候適應型高效太陽能驅動空氣取水

近日，上海交通大學王如竹教授團隊與中山大學張杰鵬教授、周東東教授團隊合作，針對太陽能驅動的空氣取水（SAWH）技術中存在的夜間吸附與日間解吸熱力學失配問題，提出了一種基于協同MOF復合材料的解決方案。研究團隊利用MOF材料Ni2Cl2(BTDD)作為基質，通過浸漬法優(yōu)化負載氯化鋰（LiCl），構建了名為LiCl@Ni2Cl2(BTDD)的復合吸附劑。該復合材料結合了無機鹽的高吸濕量與MOF穩(wěn)固孔道結構的優(yōu)點，不僅將解吸驅動溫度顯著降低至60 °C以下，還極大擴展了高濕度窗口下的吸附持續(xù)時間。基于該材料構建的模塊化SAWH裝置在廣泛的氣候條件下的實地測試中展現了卓越的穩(wěn)定性與產水性能，在典型的大陸性氣候（如濟南）實地測試中，其太陽能驅動的裝置日產水量較純MOF基裝置提升了高達91%。

全球超過40億人正面臨淡水短缺危機，而大氣中蘊含的水汽資源相當于地表河湖總量的六倍，如何高效地從空氣中獲取飲用水已成為極具社會意義與戰(zhàn)略價值的研究方向。在各類水生產技術路線中，基于吸附的空氣取水技術（Sorption-based AWH，SAWH）因其能適應不同濕度環(huán)境且可由低品位太陽能直接驅動而備受關注。然而，該技術的大規(guī)模應用仍面臨兩大核心挑戰(zhàn)：一是夜間高濕度吸附窗口未被充分利用；二是受限于傳統吸附劑的高解吸溫度要求，日間太陽能熱源往往難以驅動充分的解吸過程，導致產水效率受限。盡管金屬有機框架（MOFs）和吸濕性鹽類各有優(yōu)勢，但直接應用材料往往分別存在孔容限制問題或泄漏、團聚等穩(wěn)定性問題。因此，開發(fā)一種兼具高吸附容量、快速動力學且能適應低品位熱源驅動的復合吸附劑，并配合高效的熱設計的太陽能驅動空氣取水系統，是實現廣域氣候適應性“隨時隨地”空氣取水的關鍵。

研究出發(fā)點

本研究的出發(fā)點在于解決實際應用場景中吸附劑所需解吸溫度高與自然光熱條件波動大的矛盾。面向太陽能驅動空氣取水中的實際問題，研究團隊著眼于復合材料“協同效應”，選用具有大孔容的Ni2Cl2(BTDD)作為基質材料，通過負載高性能吸濕性鹽LiCl，實現吸濕鹽孔道限域效應分散并有效防止鹽的泄漏。在裝置層面，團隊使用一種高度集成的模塊化光熱驅動AWH系統構建了兩組對比裝置，分別搭載復合前后的材料在不同的地域進行了實地測試。多場景實地測試結果顯示該裝置具有著廣泛的氣候適應性，實現了太陽能驅動的高效產水過程。

圖文解析

針對現有吸附劑在吸附容量與解吸溫度之間的權衡難題，研究團隊首先從材料吸附機理入手，構建了主客體協同的復合吸附體系。團隊篩選出兼具大孔容（1.18 cm3 g-1）及高循環(huán)穩(wěn)定性的MOF材料Ni2Cl2(BTDD)作為基質，通過優(yōu)化后的浸漬法引入高吸濕性的LiCl鹽進行負載。氮氣吸附與孔徑分布分析顯示，在優(yōu)選的30 wt% LiCl溶液復合后的復合材料LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30孔徑從2.20 nm減小至1.66 nm，同時配合PXRD、TOF-SIMS等不同表征手段綜合證明了LiCl在MOF孔道內表面形成了均勻分布，從而有效避免了鹽團聚。不同于Ni2Cl2(BTDD)材料“S型”吸附等溫線，該復合材料呈現出多相的“三階段”吸附行為：從低濕度的化學吸附，到中濕度的鹽潮解，再到高濕度的溶液吸收，最終實現了相較于純基質MOF材料在全濕度域吸附性能的提升。實驗數據顯示，該復合材料在30 °C/80%相對濕度下的吸水量高達3.46 g g-1，相當于基質材料Ni2Cl2(BTDD)相同濕度下吸附量的近4倍，同時在不同濕度區(qū)間內均實現了吸附量與吸附速率的提升。同時該復合材料對解吸溫度要求低，60 °C下的低驅動溫度即可實現近95%的解吸。高吸附容量與低解吸溫度配合大幅降低了對太陽能熱源強度的要求，可以更好地適應多云等太陽能驅動空氣取水系統中常見的不利氣候條件，同時為全天候高效取水奠定了熱力學基礎。

圖一 LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30性能表征

優(yōu)異的材料性能需要匹配高效的系統設計才能轉化為實際產水量。針對光熱驅動AWH系統中解吸（需高溫）與冷凝（需低溫）的熱設計需求矛盾，團隊使用了一種高度集成的可擴展模塊化SAWH裝置。該裝置采用雙層絕熱傳質板設計，成功在緊湊的空間內實現了吸附床熱域與冷凝室冷域的有效解耦與熱分區(qū)。最終通過削弱吸附床與冷凝壁面間熱量傳遞同時實現了解吸溫度的提升與降低冷凝溫度雙重目標。憑借裝置熱設計優(yōu)化與高性能復合材料結合，裝置表現出較好的低光照適應性，即便在400 W m-2的弱光照強度下（常見典型夏季正午陽光輻照強度可達1000 W m-2或更高），仍能實現超過500 g m-2的產水。同時裝置在各輻射條件下整體產水量均較未復合LiCl的Ni2Cl2(BTDD)系統提升了25%以上，其中在1000 W m-2下7小時內每平米產水超1 L，產水體積密度達30.3 L m-3。

圖二 搭載LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30的太陽能驅動空氣取水裝置實驗室性能測試結果

為了驗證技術在實際場景應用中的普適性，研究團隊跨越不同氣候區(qū)在上海（濕潤亞熱帶）、濟南（大陸性氣候）和昆明（冬季亞熱帶高原）對基于Ni2Cl2(BTDD)與LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30的裝置進行了廣泛的戶外實地對比測試。測試中未使用風機、制冷系統等冷凝輔助設備，僅憑太陽能光熱驅動裝置運行。實測結果表明，復合材料系統展現出對實際環(huán)境波動的極強適應力。在上海的對比測試中，得益于更低的啟動溫度，復合材料裝置比純MOF裝置提前一小時（9:30 a.m.）就開始產出液態(tài)水。在氣候較為干燥的濟南，這種優(yōu)勢被進一步放大，復合材料系統的產水量較純MOF系統提升了高達91%。同時在昆明的冬季實際測試中，即便光熱部件驅動溫度僅為60 °C，裝置依然保持了高效的運行狀態(tài)，證實了其在低溫、低輻照等苛刻環(huán)境下的運行可靠性。此外，連續(xù)多日的循環(huán)測試及水質分析證實，該系統在運行中產水量穩(wěn)定可靠且收集到的水質純凈，離子濃度符合WHO飲用標準。

圖三 太陽能驅動的空氣取水系統戶外實驗

總結與展望

本工作提出了一種通用的吸濕鹽復合與系統優(yōu)化協同策略，通過將吸濕性鹽引入MOF骨架內，成功構建了兼具高吸附容量與低解吸溫度特性的復合吸附劑。該策略不僅解決了傳統MOF材料再生溫度高、能耗大的瓶頸，還通過裝置層面的熱管理優(yōu)化，顯著提升了太陽能利用效率，同時模塊化的設計可以滿足未來裝置規(guī)模化的擴展需求。通過在不同氣候區(qū)的成功實地驗證，該技術有望在應對全球淡水短缺、特別是針對離網和干旱地區(qū)的分散式供水方面發(fā)揮作用。未來，隨著對復合材料主客體相互作用機制的進一步解析，該策略有望拓展至更多種類的多孔基質與吸濕鹽組合，從而為實現更高效、更低成本的大氣水收集提供無限可能。

文獻信息

Shao, Z., Feng, X., Poredo?, P. et al. Synergistic MOF-based composite enabling significant solar-to-water generation enhancement in climate-resilient AWH. Nature Communications (2026).

https://doi.org/10.1038/s41467-026-68946-8

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