MIT、UCBerkeley合力打造：從沙漠空氣取水的太陽能“飲水機”

　　據統計，世界上約有五十萬人全年面臨水資源極度匱乏的問題，約四十億人生活在每年至少一個月嚴重缺水的環境中。以下這張圖片較為直觀地反映了全球淡水的供給情況，淡水資源稀缺正逐漸成為人類社會可持續發展的威脅之一。嚴格控制地下水、淡水流域的耗水量，提高用水效率是緩解缺水問題的關鍵。與此同時，尋求其他途徑獲取可利用的淡水也成為人們關注的焦點。

　　地球缺水分布情況。圖片來源：Science Advances

　　大氣層中含有大量的水汽，約占地球淡水資源的10%，如果可以實現從空氣中汲取水分并加以收集，無疑能夠有效地緩解淡水的短缺。然而這一過程通常需要在較高的空氣濕度下完成，并伴隨著大量能耗，這在成本上是得不償失的。理想的汲水系統應該在盡可能低的能量損耗以及較低的空氣濕度時仍舊可以完成水汽吸收與釋放過程，并利用太陽能、風能等自然資源作為供能基礎，這些特點對于應對那些日照時間長、氣候干燥地區的缺水狀況具有重要的實際意義。

　　最近，美國麻省理工學院（MIT）Evelyn Wang教授和加州大學伯克利分校（UC Berkeley）Omar Yaghi教授等人將一種多孔的金屬-有機骨架（MOF-801，Zr6O4(OH)4(fumarate)6）負載于薄層銅板上，并置于太陽能吸收單元與冷凝板之間，所得的裝置僅僅依靠太陽能就可從空氣中取水。在空氣濕度很低時，這種神奇的太陽能“飲水機”仍能正常工作，實驗證明，在自然陽光下毎公斤MOF-801每天能從濕度為20%的空氣中汲取約2.8升水，無須提供額外的能量。這一研究成果發表于Science上。

　　太陽能“飲水機”及其工作原理。圖片來源：MIT / Science

　　20多年前，Yaghi設計了第一個形成連續三維網絡結構的多孔晶體，將其命名為“金屬-有機骨架（MOF）”，目前人們已經合成了超過20,000種MOFs應用于氣體分離與儲存、空氣除濕以及催化反應中，但將這一材料用以解決儲水問題才剛剛起步。以往的研究中MOF水分攝入量較低，無法滿足作為水分收集材料的要求。如何在分子水平上對其結構及空隙率等因素進行改進，是提高金屬-有機骨架結構汲水能力的關鍵。2014年，Yaghi和他的團隊合成了一種MOF，經初步嘗試即使在濕度較低的條件下也能吸收水分，于是他聯系了MIT的機械工程師Evelyn Wang，兩人聯合對其做進一步改進，得到了新的鋯金屬中心的MOF，命名為MOF-801，這種金屬-有機骨架結構以富馬酸鹽作為橋連將Zr6O4(OH)4金屬簇連接起來形成三維網絡多孔框架，該結構中包含三個對稱獨立的空腔用以捕獲水分子。

　　MOF-801次級結構，黃、橙、綠色代表三個不同的空腔。黑色：碳；紅色：氧；藍色：鋯聚集簇。圖片來源：Science

　　他們首先設計了在20%的空氣濕度下進行MOF-801的水蒸氣吸附-脫附實驗，將MOF-801晶體粉末在150 ℃真空條件下加熱24小時進行活化，隨后將其摻雜到多孔銅泡沫材料中，并釬焊在薄層銅板基底上形成吸附層。該實驗在與連接有陽光模擬器與濕度控制系統的環境中進行，他們將蒸氣源引入該環境中，水蒸氣通過擴散吸附在MOF-801材料表面，吸附飽和后撤除蒸氣源，并接入太陽能模擬裝置，此時該材料中析出水分，通過冷凝裝置加以收集。他們對環境溫度、蒸氣壓力、MOF-801材料的孔隙率及厚度等參數進行優化，最終實現了以一個太陽能通量的能量下連續24小時進行水分收集，毎公斤MOF-801材料可以產生約2.8升水。

　　MOF-801的水蒸氣吸附-脫附實驗。圖片來源：Science

　　他們還將這一概念模型置于室外實地考察，將1.34 g的MOF-801晶體粉末摻雜在孔隙度為約0.85的多孔銅泡沫材料中，形成5 cm × 5 cm × 0.31 cm的吸附層，并使用聚丙烯酸材料封套。該吸附層放置在太陽能吸收裝置與冷凝板之間于MIT的屋頂進行測試。夜間，他們將該測試裝置打開，空氣中的水蒸氣擴散到吸附層。到了白天，他們將測試裝置關閉，陽光通過裝置頂部的窗戶進入，光能轉化為熱能后加熱MOF-801材料，釋放出水分后作冷凝收集，這一測試裝置具有十分理想的汲水效果。

　　水吸附實地考察裝置。圖片來源：Science

　　——總結——

　　Yaghi和Wang等人設計的MOF-801具有以下優點：一、這一結構是在分子水平下充分研究水的吸附行為后加以改性的，因而具有十分重要的借鑒意義；二、結構經優化，MOF空腔捕獲水分子的性能比以往得到了很大的提升；三、該結構制備的材料穩定性好且可以回收利用。西北大學的Mercouri Kanatzidis評價道，從沙漠的空氣中汲取水分是一個長遠的夢想，MOF-801材料的設計具有十分重要的突破，然而距離實際生產應用還需進一步改進。鋯每公斤的價格為150美元，這一昂貴的成本迫使該材料暫無法投入使用。對此Yaghi教授表示，他們已經發現一種材料，可以使用鋁作為金屬中心代替鋯制備MOFs，目前正在測試中，研制成功后將大大降低其成本，不僅有望解決干旱地區的用水問題，甚至可以實現在沙漠中汲取水分。