南大Nat. Nanotechnol.：MOF衍生纳米多孔碳高效大气集水

一、【导读】

基于吸附的大气集水（atmospheric water harvesting, AWH）从环境中收集水，是在缺水地区提供清洁水的一种有前途的方法。目前，干旱地区基于被动吸附的AWH的最新水生产率相对较低（~0.1 L kg^-1 day^-1），无法满足实际需求。因此，非常需要开发具有内在快速吸附-解吸动力学的吸附剂，用于被动收割机中的高产AWH。在各种吸附剂材料中，碳质材料因其超高孔隙率、高表面积和化学稳定性而被广泛用于气体吸附，但是将碳质吸附剂用于AWH仍然具有挑战性，因为水和碳之间固有的低亲和力。通过金属有机框架（MOF）前体的热转化合成纳米多孔碳，保持了高亲水性，可在低相对湿度（RH）下捕获水蒸气，同时纳米多孔碳的优异光热性能可以实现太阳能驱动的快速解吸。因此，MOF衍生的纳米多孔碳在实现高产和节能的AWH方面具有很大的前景。实现高产水收集的关键是实现快速的水吸附-解吸动力学，但由于多步吸附机制的复杂性，纳米多孔碳的结构活性与水吸附动力学的关系仍然缺乏研究。此外，有必要系统地探索结构因素如何影响吸附剂中水的所有扩散步骤，以设计和制备能够快速循环并因此获得更高产率的纳米多孔碳。

二、【成果掠影】

近日，南京大学朱嘉教授和徐凝助理研究员（共同通讯作者）等人报道了一种MOF衍生的纳米多孔碳，其具有快速扩散的水通道和优异的光热性能，可以实现高产太阳能驱动的AWH。作者首先揭示了主要结构因素对吸附动力学的影响。理论模型表明，具有40%的结合位点密度和约1.0 nm孔径的纳米多孔碳的整体扩散阻力最小，因而能够实现最佳吸附动力学。作者选择卤化铜MOF（[Cu(4, 4’-bipy)₂Cl₂]_n）作为起始材料，利用蒸汽选择性蚀刻方法来精确控制吸附剂的结构，从而制备了一种基于MOF衍生的纳米多孔碳的被动、快速循环集水器，在30% RH下实现了0.18 L kg_carbon^-1 h^-1的高产水率，而太阳能作为唯一的能量输入。该工作所提出的设计策略有助于为先进的淡水发电系统开发高产、太阳能驱动的AWH。研究成果以题为“High-yield solar-driven atmospheric water harvesting of metal-organic-framework-derived nanoporous carbon with fast-diffusion water channels”发布在国际著名期刊Nature Nanotechnology上。

三、【核心创新点】

1、该纳米多孔碳具有快速扩散的水通道和优异的光热性能，可实现高产太阳能驱动的AWH。

2、该纳米多孔碳在30% RH下实现了0.18 L kg_carbon^-1 h^-1的高产水率，太阳能作为唯一的能量输入

四、【数据概览】

图一、水蒸气在纳米多孔碳中的扩散过程  ©2022 Springer Nature Limited
（a）通过微孔吸附剂的AWH一系列纳米级传质现象：体扩散（i）、表面扩散（ii）、外部渗透（iii）、内部扩散（iv）和水释放（v）；

（b-d）具有各种几何和化学性质的狭缝状碳孔模型中H₂O扩散过程的能垒。

图二、蒸汽选择性蚀刻对纳米多孔碳进行结构和成分分析 ©2022 Springer Nature Limited
（a）卤化铜 MOF ([Cu(4, 4'-bipy)₂Cl₂]_n) 的纳米多孔碳的合成示意图；

（b）蒸汽选择性蚀刻后，利用XPS分析多孔产品；

（c-e）Steam-80 样品的C 1s、N 1s和O 1s 的高分辨率XPS数据；

（f）MOF衍生的纳米多孔碳样品的孔径分布；

（g）Steam-80的TEM图像；

（h）左轴、水饱和Steam-80在一次太阳照射下的温度分布。

图三、纳米多孔碳的AWH性能和操作稳定性 ©2022 Springer Nature Limited
（a）比较不同纳米多孔碳样品在20-50% RH下的吸水率；

（b）Steam-80在25 °C和20-50% RH下的水吸附-解吸测试；

（c）Steam-80和碳样品在25 °C和30% RH下的水吸附，碳样品在 1000 °C下碳化；

（d）在25 °C和50% RH下在Steam-80上进行的循环实验。

图四、实用的AWH  ©2022 Springer Nature Limited
（a）具有MOF衍生的纳米多孔碳的集水器的图像；

（b）侧壁上水滴的形成、生长和聚结随解吸时间的变化；

（c）每次循环的集水生产力、太阳通量、环境RH和温度的示意图；

（d）比较单日光照下纳米多孔碳与最先进吸附剂的产水率。

五、【成果启示】

综上所述，作者展示了MOF衍生的纳米多孔碳，其具有高容量和快速动态，可用于快速响应太阳能驱动的AWH。基于这种纳米多孔碳的AWH收集器在45 min内吸收了0.18 L kg_carbon^-1的水，并在单日光照下在10 min内释放所有捕获的水，这是已报道的最高值之一。分子设计和实验确认的结合表明，纳米多孔碳的有利结构（吸附位点密度为40%，孔径约为1.0 nm）降低了水的扩散阻力，从而加速了吸附动力学。由于这种方法可以推广到各种碳质材料，因此该基本原理有望为未来使用MOF衍生的纳米材料从空气中收集水的发展提供一条有希望的途径。

文献链接：High-yield solar-driven atmospheric water harvesting of metal-organic-framework-derived nanoporous carbon with fast-diffusion water channels. Nature Nanotechnology, 2022, DOI: 10.1038/s41565-022-01135-y.

本文由CQR编译。

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