MOF材料：從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際應(yīng)用
金屬有機(jī)骨架（MOF）作為一種新興多孔材料，因其可調(diào)控的孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)異吸附性能，對(duì)水的吸附在水分捕獲和釋放的應(yīng)用場(chǎng)景中是十分重要的，一些關(guān)鍵應(yīng)用包括除濕、熱電池和偏遠(yuǎn)地區(qū)飲用水輸送^[1]。一般來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)適合儲(chǔ)水的吸附材料時(shí)，有三個(gè)關(guān)鍵的考慮因素：

1）水向多孔材料中的孔隙填充或冷凝必須在較低的相對(duì)壓力（P/P0）或相對(duì)濕度（RH）下發(fā)生，并表現(xiàn)出陡峭的吸附行為。

2）材料需要有高吸水能力，可以最大限度地輸送水，并只需要簡(jiǎn)單的吸附/解吸過(guò)程，以提高能效。

3）材料具有較高的吸附/解吸循環(huán)性能和穩(wěn)定性。

本文闡述了金屬有機(jī)骨架（MOFs）的吸水性能研究。多種鋯基MOF能夠滿足上述三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Omar M. Yaghi團(tuán)隊(duì)使用了BELSORP-aqua 3測(cè)試了它們的水吸附行為。

關(guān)鍵詞：MOF，水吸附，大氣水捕獲與釋放，循環(huán)性能

在本應(yīng)用筆記中，我們對(duì)金屬有機(jī)骨架（MOFs）的吸水性能進(jìn)行了研究。

設(shè)計(jì)了多種鋯基MOFs以滿足上述三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，并使用美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的BELSORP-aqua 3測(cè)試了它們的吸水性能。

關(guān)鍵詞：多氟醚，水吸附，大氣水捕獲和釋放，循環(huán)性能

實(shí)驗(yàn)

采用容量法蒸汽吸附儀BELSORP-aqua 3(新型號(hào)：BELSORP MAX X-HT)對(duì)鋯基MOFs和沸石13X進(jìn)行25℃下水蒸氣吸脫附等溫線的分析表征。用戶友好的測(cè)試軟件可以進(jìn)行無(wú)人值守的循環(huán)測(cè)試，循環(huán)次數(shù)可達(dá)5次。每次循環(huán)測(cè)試之間對(duì)樣品進(jìn)行25度2小時(shí)的脫氣處理。單次可同時(shí)測(cè)試3個(gè)樣品，實(shí)現(xiàn)高通量測(cè)試。

結(jié)果與討論

圖1. 分子篩13X 在25?C下的水吸附/解吸循環(huán)測(cè)試

沸石由于在極低低相對(duì)壓力下吸附水，因此在商業(yè)上被用于電除濕機(jī)中捕獲水分。然而，由于沸石與水分子之間的強(qiáng)烈相互作用，需要將材料加熱至300°C，才能將吸附的水分子從孔隙中脫附。這個(gè)再生過(guò)程需要高能量輸入。因此，沸石不是與捕獲和釋放水分相關(guān)應(yīng)用的理想材料。從圖1中可以觀察到，沸石樣品在個(gè)吸附脫附等溫曲線測(cè)試中顯示出更高的吸水能力，而在室溫下再生后，在連續(xù)的循環(huán)測(cè)試中未能恢復(fù)相同的吸附能力。

圖2. MOF-801-P (A) 和 MOF-841(B)的水吸附/解吸循環(huán)測(cè)試

MOF-801-P（圖2（A））和MOF-841（圖2（B））的微晶粉末樣品顯示出較好的水蒸氣吸附脫附性能，完全符合簡(jiǎn)介中提到的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。這些MOF材料的吸附曲線在低壓區(qū)陡峭上升，即使在連續(xù)五個(gè)循環(huán)后，最大吸水量也幾乎保持恒定。這清晰地表明，這些MOF材料與水具有很強(qiáng)的相互作用，同時(shí)在溫和的條件下很容易再生。

為了將MOF用作汽車的熱交換器（即熱電池），需要在較低的相對(duì)壓力（P/P0 < 0.1）下捕集水，因?yàn)樗谖?解吸循環(huán)中無(wú)需安裝壓縮機(jī)或提高蒸發(fā)溫度。在這方面，MOF-801-P 是用于先進(jìn)熱電池的選擇之一。

MOF材料還可用于水收集應(yīng)用，以在飲用水稀缺的偏遠(yuǎn)沙漠地區(qū)捕獲、儲(chǔ)存和釋放大氣水。在這些地區(qū)，典型的夏季白天溫度和相對(duì)濕度 （RH） 為 40 °C 和 5%，夜間急劇變化為 25°C 和 35%。在這種條件下，多孔材料可以在 5% - 35% RH（即 P/P0 = 0.05-0.35） 之間捕獲水，然后可以冷凝空氣中的水蒸氣。考慮到MOF-841在P/P0 = 0.3時(shí)能夠吸收44%的水，它在捕獲、儲(chǔ)存和釋放大氣水方面具有很大的潛力。

結(jié)論

鋯基MOF材料在捕獲、儲(chǔ)存和釋放水分應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。通過(guò)水蒸氣吸附儀能夠很好地評(píng)價(jià)MOF材料對(duì)水分的吸附作用，并有效地研究了MOF材料的循環(huán)性能。然而，吸附能力和循環(huán)穩(wěn)定性還取決于MOF晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷^[2]。

參考文獻(xiàn)

[1] Furukawa, H. et al. J. Am. Chem. Soc. 136, 4369–4381 (2014).

[2] Gökpinar, S. et al. Ind. Eng. Chem. Res. 58, 21493–21503 (2019).