近日，制冷與低溫工程研究所王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA團隊與中山大學(xué)張杰鵬教授團隊合作，針對太陽能驅(qū)動的空氣取水技術(shù)中存在的夜間吸附與日間解吸熱力學(xué)失配問題，提出了一種基于協(xié)同MOF復(fù)合材料的太陽能空氣取水解決方案，實現(xiàn)了廣氣候區(qū)域內(nèi)僅憑太陽能驅(qū)動的高效水生產(chǎn)。該項研究成果以“Synergistic MOF-based composite enabling significant solar-to-water generation enhancement in climate-resilient AWH”為題發(fā)表在Nature Communications上。制冷與低溫工程研究所博士生邵昭、中山大學(xué)博士生馮茜為論文共同第一作者，王如竹教授，中山大學(xué)張杰鵬教授、周東東教授為論文通訊作者。
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(chǎn)技術(shù)路線中，基于吸附的空氣取水技術(shù)（Sorption-based AWH，SAWH）因其能適應(yīng)不同濕度環(huán)境且可由低品位太陽能直接驅(qū)動而備受關(guān)注。然而，該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)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(tǒng)吸附劑的高解吸溫度要求，日間太陽能熱源往往難以驅(qū)動充分的解吸過程，導(dǎo)致產(chǎn)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(yīng)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(xué)且能適應(yīng)低品位熱源驅(qū)動的復(fù)合吸附劑，并配合高效的熱設(shè)計的太陽能驅(qū)動空氣取水系統(tǒng)，是實現(xiàn)廣域氣候適應(yīng)性“隨時隨地”空氣取水的關(guān)鍵。
針對現(xiàn)有吸附劑在吸附容量與解吸溫度之間的權(quán)衡難題，研究團隊首先從材料吸附機理入手，構(gòu)建了主客體協(xié)同的復(fù)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(zhì)，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(fù)合后的復(fù)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(nèi)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(fù)合材料呈現(xiàn)出多相的“三階段”吸附行為：從低濕度的化學(xué)吸附，到中濕度的鹽潮解，再到高濕度的溶液吸收，最終實現(xiàn)了相較于純基質(zhì)MOF材料，在全濕度域下吸附性能的提升。實驗數(shù)據(jù)顯示，該復(fù)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(zhì)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(nèi)均實現(xiàn)了吸附量與吸附速率的提升。同時該復(fù)合材料對解吸溫度要求低，60 °C下的低驅(qū)動溫度即可實現(xiàn)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，可更好地適應(yīng)多云等太陽能驅(qū)動空氣取水系統(tǒng)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(xué)基礎(chǔ)。
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(tǒng)設(shè)計才能轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)水量。針對光熱驅(qū)動AWH系統(tǒng)中解吸（需高溫）與冷凝（需低溫）的熱設(shè)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(zhì)板設(shè)計，成功在緊湊的空間內(nèi)實現(xiàn)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(xiàn)了提升解吸溫度與降低冷凝溫度的雙重目標。憑借裝置熱設(shè)計優(yōu)化與高性能復(fù)合材料結(jié)合，裝置展現(xiàn)出較好的低光照適應(yīng)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(xiàn)超過500 g m?2的產(chǎn)水。同時在各輻射條件下，該裝置整體產(chǎn)水量均較未復(fù)合LiCl的Ni2Cl2(BTDD)系統(tǒng)提升了25%以上，其中在1000 W m?2下7小時內(nèi)每平米產(chǎn)水超1 L，產(chǎn)水體積密度達30.3 L m?3。
圖二 搭載LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30的太陽能驅(qū)動空氣取水裝置實驗室性能測試結(jié)果
為了驗證技術(shù)在實際場景應(yīng)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(fēng)機、制冷系統(tǒng)等冷凝輔助設(shè)備，僅憑太陽能光熱驅(qū)動裝置運行。實測結(jié)果表明，復(fù)合材料系統(tǒng)展現(xiàn)出對實際環(huán)境波動的極強適應(yīng)力。在上海的對比測試中，得益于更低的啟動溫度，復(fù)合材料裝置比純MOF裝置提前一小時（9:30 a.m.）就開始產(chǎn)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(fù)合材料系統(tǒng)的產(chǎn)水量較純MOF系統(tǒng)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(qū)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(zhì)分析證實，該系統(tǒng)在運行中產(chǎn)水量穩(wěn)定可靠且收集到的水質(zhì)純凈，離子濃度符合WHO飲用標準。
圖三 太陽能驅(qū)動的空氣取水系統(tǒng)戶外實驗
研究提出了一種通用的吸濕鹽復(fù)合與系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)同策略，通過將吸濕性鹽引入MOF骨架內(nèi)，成功構(gòu)建了兼具高吸附容量與低解吸溫度特性的復(fù)合吸附劑。該策略不僅解決了傳統(tǒng)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(shè)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)的實地驗證，該技術(shù)有望在應(yīng)對全球淡水短缺、特別是針對離網(wǎng)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(fù)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(zhì)與吸濕鹽組合，為實現(xiàn)更高效、更低成本的大氣水收集提供更多可能性。
研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金的支持。
王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）交叉學(xué)科創(chuàng)新團隊長期致力于能源、水、空氣領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)，通過學(xué)科交叉實現(xiàn)材料—器件—系統(tǒng)的一體化解決方案，持續(xù)推動相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進展。近年來，團隊在Science、Nature Reviews Materials、Nature Water等期刊發(fā)表了系列跨學(xué)科研究成果。
論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41467-026-68946-8
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