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近日，上海交通大學(xué)王如竹團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中山大學(xué)張杰鵬、周東東團(tuán)隊(duì)在Cell Press旗下期刊Device上發(fā)表了題為“High Performance Solar-driven MOF Atmospheric Water Harvester with Ultra-dense Integrated Modular Design and Reflux Synthesis of Ni2Cl2(BTDD)”的研究論文，提出了一整套“材料-器件-裝置”的綜合技術(shù)方案。上海交大機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院博士研究生邵昭與中山大學(xué)碩士生唐玉成為論文第一作者，上海交大王如竹教授為通訊作者，中山大學(xué)張杰鵬教授、周東東副教授為共同通訊作者。
綜合技術(shù)方案是擴(kuò)大化低成本合成高性能MOF吸附劑Ni2Cl2(BTDD)的技術(shù)方案，以及與之配套的模塊化緊湊式太陽(yáng)能空氣取水單元。該裝置可以實(shí)現(xiàn)無(wú)任何外界電力等輔助能源或設(shè)備的情況下憑借太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，同時(shí)模塊化的構(gòu)造使得裝置可以通過(guò)改變模塊的數(shù)量，極為輕松地實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制。該技術(shù)方案為空氣取水技術(shù)走向商業(yè)化奠定了基礎(chǔ)，有望為世界水危機(jī)貢獻(xiàn)交大智慧，實(shí)現(xiàn)從“久旱逢甘霖”到“久旱造甘霖”的重大突破。
由于工業(yè)化的進(jìn)程與全球性的氣候變化，目前全球仍有超過(guò)四十億人面臨著嚴(yán)峻的飲水危機(jī)。另一方面，大氣中蘊(yùn)藏著極為豐富的水蒸氣，水含量大約相當(dāng)于地球表面河流總量的6倍，如何大量且高效地提取出空氣中的水蒸氣，并將其以液態(tài)水的方式收集成為一個(gè)前沿問(wèn)題。基于吸附式空氣取水技術(shù)借助吸附劑實(shí)現(xiàn)低濕度下的水蒸氣吸附以及低品位熱源（如太陽(yáng)能）的脫附，最終可以實(shí)現(xiàn)將大氣中豐富的水蒸氣轉(zhuǎn)化為可直接飲用的液態(tài)水。雖然目前已有的研究初步展現(xiàn)了空氣取水技術(shù)的可行性，但是研究中使用了較多電力驅(qū)動(dòng)的輔助裝置以增強(qiáng)系統(tǒng)表現(xiàn)，這在一定程度上忽視了以沙漠為代表的離網(wǎng)使用場(chǎng)景的實(shí)際使用條件。另一方面，高性能MOF吸附劑的擴(kuò)大化合成也是這一技術(shù)擴(kuò)展的一個(gè)重要障礙。研究基于吸附式空氣取水技術(shù)，形成了一整套“材料-器件-裝置”的綜合技術(shù)方案，提出了擴(kuò)大化低成本合成高性能MOF吸附劑Ni2Cl2(BTDD)的技術(shù)方案以及與之配套的模塊化緊湊式太陽(yáng)能空氣取水機(jī)組。
在材料層面，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)篩選，選擇Ni2Cl2(BTDD)作為首選材料。其一維孔道具有豐富且親水的開(kāi)放金屬位點(diǎn)，優(yōu)異的水穩(wěn)定性和水吸附性能使其從眾多MOF材料中脫穎而出。論文通過(guò)操作簡(jiǎn)易的回流法實(shí)現(xiàn)了百克級(jí)Ni2Cl2(BTDD)的制備，并結(jié)合配體和金屬鹽的溶解特性，依次采用水、N,N-二甲基乙酰胺以及甲醇洗滌的操作進(jìn)行材料后處理以釋放孔道。相比于現(xiàn)有的擴(kuò)大化合成方案，回流法的生產(chǎn)成本縮減至79 CNY g-1。
基于擴(kuò)大化合成吸附劑工藝探索，王如竹教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種高度緊湊的模塊化且熱分區(qū)的空氣取水器。該樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了Ni2Cl2(BTDD)在裝置層面的首次應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了在裝置每平米僅使用不到四分之一重量吸附劑的情況下，得到可媲美復(fù)雜雙級(jí)結(jié)構(gòu)取水器的840.5 g m–2高取水量，以及23 L m–3的超高體積取水密度。為了進(jìn)一步對(duì)裝置性能進(jìn)行檢驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)在上海、昆明等不同地點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，并對(duì)所得水樣進(jìn)行了水質(zhì)測(cè)試。在昆明干旱寒冷的冬季，該取水機(jī)組在0.04 m2依然實(shí)現(xiàn)了22.6g的高水生產(chǎn)量，且水樣離子濃度滿足WHO對(duì)于直接飲用的要求。
該研究依托材料科學(xué)、熱科學(xué)、工程制造等多個(gè)領(lǐng)域的交叉合作，得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.device.2023.100058
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