新型炭材料封面文章|大连理工大学陆安慧/郝广平：金属有机框架复合酚醛树脂基整体式亲水炭应用于空气水捕集

主要内容

以多孔材料为基础的吸附法水汽捕集技术，核心原理是夜间利用吸附剂吸附水蒸汽，白天通过太阳能加热吸附剂使水蒸汽脱附并在冷凝器处发生冷凝。在干旱、低相对湿度的气候下，具有比雾气捕集更高的产率和比冷凝结露更高的热效率，且装置结构简单能耗较低。该技术的关键在于构建具有较高吸附量、较低脱附温度以及良好水热稳定性的高性能吸附剂。炭材料由于具有良好的导热性、水热稳定性以及孔结构和表面化学可控等特点，被广泛应用于吸附、分离、催化、储能等领域。其中酚醛树脂基整体式炭由于具有丰富且易于调控的孔结构、良好的机械强度、便于大批量制备以及低廉的价格等优势，被广泛用于炭材料的制备。但其亲水性一般不佳，通过合理设计和精确控制表面化学、孔隙结构等方法可以实现亲水性的加强，但经增强后的亲水性仍有限，不利于对极性分子的亲和，因而限制了其应用，也限制了其在吸附法空气水捕集中的应用，故需要进一步研究提升其亲水性的方法。

针对此问题，大连理工大学陆安慧教授和郝广平教授课题组提出了一种亲水强化的策略，选用具有高度交联网络结构的酚醛树脂作为基底材料，通过在骨架中原位生长可生成亲水位点的金属有机框架(MOFs)作为前驱体，实现亲水整体式炭材料的制备，并将其应用于太阳能驱动的吸附式空气水捕集。在《新型炭材料》（New Carbon Materials）上发表研究论文“金属有机框架复合酚醛树脂基整体式亲水炭应用于空气水捕集”。

材料的合成通过将间苯二酚和甲醛溶解于水中经预聚使其一定程度交联后，加入溶解于少量水和乙醇中的二水合氯化铜和4,4′-联吡啶，形成金属有机框架复合酚醛树脂炭前驱体，经热解和硝酸洗涤，得到整体式亲水炭材料(图1)。

图1 亲水炭材料的制备: (a) 制备示意图, (b) 前驱体和炭材料实物图

材料的结构和形貌表征如图2所示。XRD谱图表明在前驱体中Cu²⁺与4,4'-联吡啶配位形成了结晶态的聚合物，热解后铜以单质和氧化物的形式存在，经硝酸洗后铜被洗去。材料酸洗前后，都具有丰富的微孔结构，酸洗后样品N₂低压段(P/P₀<0.2)吸附量相比酸洗前降低，表明其比表面积和孔容有所降低，这是由于硝酸的强氧化性导致炭材料的边缘产生了含氧官能团，从而降低了孔容和比表面积。然而CO₂吸附量相比酸洗前有所提升，因为炭材料中的铜以及铜的氧化物颗粒被洗去，形成了有利于吸附CO₂的微孔结构。SEM照片中可以看到在海绵状酚醛聚合物骨架中，Cu²⁺与4,4'-联吡啶配位得到了长条棱柱状晶态结构分布于其中。水蒸汽吸附曲线表明酸洗后材料的亲水性有明显提升，在水中沉降速度的差距也能佐证这一点。

图2 (a) 炭前驱体和 (b) 炭材料酸洗前后的XRD谱图, (c) N₂和 (d) CO₂吸脱附等温线(嵌图为对应的孔径分布图), (e) CuBR4的SEM照片, (f) 水蒸汽吸脱附等温线, (g) CuBR1-700与CuBR1-700-AW随时间沉降效果对比图

图3展示了改性亲水炭材料在太阳光照射下的模拟空气水捕集性能测试结果。首先将炭材料在恒温恒湿环境中吸附平衡，随后将其在实际太阳光照射下开始空气水捕集试验。2 h的太阳光照射后，吸附剂可被加热到80 °C以上，水蒸汽脱附并冷凝，在冷凝器处可见明显的水滴凝结。

图3 太阳光照下空气水捕集: (a) 装置结构示意图, (b)装置实物图, (c) 实验过程中吸附剂层红外图像 (d) 冷凝器处收集的水, (e) 实验中装置不同区域温度变化

综上，通过在酚醛树脂聚合物骨架原位生长引入金属有机配位框架结构，制备了表面亲水性可调的整体式多孔炭。对热解后的炭材料进行酸洗不仅可以除去金属纳米颗粒，形成微孔通道，还能在孔壁形成强极性位点。该交联骨架亲水强化的策略在提升了炭材料亲水性的同时，保持了良好的机械强度和整体式形态，对整体式亲水炭材料规模制备提供了新的思路。

文章信息

TANG Song-yuan, WANG Yong-sheng, YUAN Ya-fei, BA Ya-qi, WANG Li-qiu, HAO Guang-ping, LU An-hui. Hydrophilic carbon monoliths derived from metal-organic frameworks@resorcinol-formaldehyde resin for atmospheric water harvesting[J]. New Carbon Materials, 2022, 37(1): 237-244.

唐宋元，王永胜，原亚飞，巴雅琪，王立秋，郝广平，陆安慧. 金属有机框架复合酚醛树脂基整体式亲水炭应用于空气水捕集[J]. 新型炭材料，2022, 37(1): 237-244. 

原文链接：http://xxtcl.sxicc.ac.cn/cn/article/doi/10.1016/S1872-5805(22)60576-6

通讯作者简介

陆安慧，大连理工大学教授，大连理工大学校长助理，精细化工国家重点实验室副主任，辽宁省低碳资源高值化利用重点实验室主任，国家杰出青年科学基金获得者、教育部长江学者特聘教授、中组部“万人计划”入选者、科技部中青年科技创新领军人才。2001年毕业于中科院山西煤化所，获博士学位。先后在德国马普学会煤化学所做博士后、洪堡学者、课题组长。主要从事多孔材料的设计合成及其在低碳烷烃的催化转化，气体吸附分离，储能等领域的应用研究，在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等国际学术期刊上发表论文260余篇，论文被引用24000余次；获中、美、欧授权发明专利40项。近年来主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重点、国际合作重点、面上、企业委托项目等纵横科技项目。获得辽宁省自然科学一等奖（第一完成人）、第八届中国化学会巴斯夫公司青年知识创新奖等。

郝广平，大连理工大学教授，博士生导师，2013年毕业于大连理工大学，获博士学位；2013-2018年，先后在德累斯顿工业大学、曼彻斯特大学做博士后、洪堡学者、居里学者。主要致力于能源化工基础与应用，研究方向为多孔材料与气体吸附分离、电催化材料与过程等。已在Nat. Nanotech.、JACS、Angew Chemie、新型炭材料、化工学报等期刊发表同行评审论文50余篇。入选国家海外高层次人才引进计划青年项目、辽宁省“兴辽计划”青年拔尖人才、辽宁省优秀博士论文；获辽宁省自然科学一等奖，教育部博士研究生学术新人奖等。

期刊信息

《新型炭材料（中英文）》     

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