模塊化高效太陽能MOF空氣取水裝置由我國研制而出

　　近日，上海交通大學王如竹團隊聯合中山大學張杰鵬、周東東團隊在Cell Press旗下期刊Device上發表了題為“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”的綜合技術方案。上海交大機械與動力工程學院博士研究生邵昭與中山大學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，中山大學張杰鵬教授、周東東副教授為共同通訊作者。

　　綜合技術方案是擴大化低成本合成高性能MOF吸附劑Ni2Cl2(BTDD)的技術方案，以及與之配套的模塊化緊湊式太陽能空氣取水單元。該裝置可以實現無任何外界電力等輔助能源或設備的情況下憑借太陽能實現連續運行，同時模塊化的構造使得裝置可以通過改變模塊的數量，極為輕松地實現個性化定制。該技術方案為空氣取水技術走向商業化奠定了基礎，有望為世界水危機貢獻交大智慧，實現從“久旱逢甘霖”到“久旱造甘霖”的重大突破。

　　由于工業化的進程與全球性的氣候變化，目前全球仍有超過四十億人面臨著嚴峻的飲水危機。另一方面，大氣中蘊藏著極為豐富的水蒸氣，水含量大約相當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，并將其以液態水的方式收集成為一個前沿問題。基于吸附式空氣取水技術借助吸附劑實現低濕度下的水蒸氣吸附以及低品位熱源（如太陽能）的脫附，最終可以實現將大氣中豐富的水蒸氣轉化為可直接飲用的液態水。雖然目前已有的研究初步展現了空氣取水技術的可行性，但是研究中使用了較多電力驅動的輔助裝置以增強系統表現，這在一定程度上忽視了以沙漠為代表的離網使用場景的實際使用條件。另一方面，高性能MOF吸附劑的擴大化合成也是這一技術擴展的一個重要障礙。研究基于吸附式空氣取水技術，形成了一整套“材料-器件-裝置”的綜合技術方案，提出了擴大化低成本合成高性能MOF吸附劑Ni2Cl2(BTDD)的技術方案以及與之配套的模塊化緊湊式太陽能空氣取水機組。

　　在材料層面，研究團隊經過篩選，選擇Ni2Cl2(BTDD)作為首選材料。其一維孔道具有豐富且親水的開放金屬位點，優異的水穩定性和水吸附性能使其從眾多MOF材料中脫穎而出。論文通過操作簡易的回流法實現了百克級Ni2Cl2(BTDD)的制備，并結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行材料后處理以釋放孔道。相比于現有的擴大化合成方案，回流法的生產成本縮減至79 CNY g-1。

　　基于擴大化合成吸附劑工藝探索，王如竹教授團隊開發了一種高度緊湊的模塊化且熱分區的空氣取水器。該樣機實現了Ni2Cl2(BTDD)在裝置層面的首次應用，在實驗室條件下實現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，得到可媲美復雜雙級結構取水器的840.5 g m–2高取水量，以及23 L m–3的超高體積取水密度。為了進一步對裝置性能進行檢驗，研究團隊在上海、昆明等不同地點進行了實地測試，并對所得水樣進行了水質測試。在昆明干旱寒冷的冬季，該取水機組在0.04 m2依然實現了22.6g的高水生產量，且水樣離子濃度滿足WHO對于直接飲用的要求。

　　該研究依托材料科學、熱科學、工程制造等多個領域的交叉合作，得到了國家重點研發計劃項目，國家自然科學基金項目等項目的支持。