Nat.Nanotech.：干旱救星，太阳能驱动的大气
集水(AWH)
太阳能驱动的基于吸附的大气集水(AWH)为干旱地区的淡水短缺提供了一种经济高效的解决方案。然而，由于吸附剂缓慢的水吸附-解吸动力学对在被实现动收割机快速循环AWH一直具有挑战性。
有鉴于此，南京大学朱嘉教授、徐凝助理研究员报告了一种MOF衍生的纳米多孔碳，一种具有快速吸附动力学和优异光热性能的吸附剂，可用于高产AWH。由于最小化的扩散阻力，优化的结构(40%吸附位点和~1.0nm孔径)具有出色的吸附动力学。基于金属-有机框架的纳米多孔碳的快速循环集水器可以在单日光照下在30%相对湿度下产生0.18 L kgcarbon−1 h−1的水。所提出的设计策略有助于为先进的淡水发电系统开发高产、太阳能驱动的AWH。这项研究以“High-yield solar-driven atmospheric water harvesting of metal–organic-framework-derived nanoporous carbon with fast-diffusion water channels”为题发表在著名期刊Nature Nanoechnology上。
【具有快速扩散水通道的纳米多孔碳的概念设计】
作者首先通过分析扩散能垒来检查纳米多孔吸附剂中的水扩散性。基于吸附的AWH上的水吸附-解吸需要五个步骤。(i)体积扩散：水粘在吸附剂颗粒的外表面上。(ii)表面扩散：水在颗粒的外表面上扩散。(iii)外部渗透：水进入吸附剂的纳米孔。(iv)内部扩散：水通过纳米孔扩散并被结合位点吸附。(v)水释放：水从结合位点解吸并离开吸附剂。作者进一步通过密度泛函理论(DFT)计算找到具有最低总扩散阻力并因此具有最快AWH动力学的理想结构。
图1 水蒸气在纳米多孔碳中的扩散过程
【MOF衍生的纳米多孔碳的合成与结构分析】
为了获得所需的结构，作者选择卤化铜MOF([Cu(4,4'-bipy) 2Cl 2]n)作为起始材料。作者还开发了蒸汽选择性蚀刻策略来扩大孔隙。热水蒸汽可以通过水-气反应选择性地蚀刻碳原子，以扩大纳米孔并精细控制微孔尺寸，而不会降低表面亲水性。MOF衍生的纳米多孔碳表现出优异的光热性能，有利于太阳能驱动的水释放。MOF衍生的纳米多孔碳表现出300-2500nm(>92%)的宽带太阳吸收，占太阳能的96.8%。
图2 通过蒸汽选择性蚀刻对MOF衍生的纳米多孔碳的结构和组成分析
【AWH性能和操作稳定性】
作者从两个方面评估所获得的纳米多孔碳的AWH性能：平衡吸水能力和吸附-解吸动力学。结果显示，水蒸气平衡时的重量吸收能力与孔径强烈相关：孔径越大，吸水率越高。在所研究的四个样品中，Steam-80表现出最高的吸水率，即在20% RH下为0.15L kg -1，在40% RH下为0.25L kg -1。在25℃和20-50%RH条件下测量水蒸气吸附-解吸的动力学。结果显示，在整个RH测量范围内，Steam-80具有快速的水捕获能力：在40分钟内达到90%的平衡负荷。在一次阳光照射下，大部分吸附水(>99%)在10分钟内释放，显示出快速的水释放性质。超快的水释放不仅是由于良好的光热性能，而且是纳米多孔碳的优异热性能。此外，纳米多孔碳还在循环实验中表现出优异的稳定性。Steam-80保持七个循环的高性能。
图3 所得纳米多孔碳的AWH性能和操作稳定性
【快速循环太阳能驱动式采集器的设计与性能】
作者成功开发出一种吸附剂，它具有快速吸附动力学和优异的光热性能，可用于高产太阳能驱动的AWH。作者建立了一个快速循环太阳能驱动的水收集器来证明这种方法的可行性。通过将吸附剂暴露在大气中以吸收水蒸气(吸附模式)起作用，关闭设备并将其暴露在阳光下后，水被释放并冷凝(生产模式)。初步测试表明，近100%的吸收水可在15分钟内在收割机内壁上释放和冷凝，与吸附剂的快速解吸动力学相匹配。侧壁上水滴的形成，生长和聚结。3分钟后观察到雾化，6分钟后观察到微小的水滴。15分钟后，在壁上形成大的水滴，高达0.4cm。为了进一步证明收割机在实际条件下的可行性，于2021年9月3日(中国南京)进行了户外采水试验。由于吸附剂的快速吸附-解吸动力学，在7小时内在室外完成十次集水循环。在每个捕水循环中，应用30分钟进行吸附，15分钟进行解吸。作者七个小时收集了1.365 L kgcarbon−1的水，相当于0.195 L kg−1 h−1，这是最高的水生产率之一。考虑到简便的合成条件，作者相信他们的吸附剂具有良好的可扩展性，并有可能为饮用水提供高效有效的便携式解决方案。
图4 实用AWH
【结论】
作者展示了MOF衍生的纳米多孔碳，它具有高容量和快速动态的快速响应太阳能驱动AWH。特别是，基于这种纳米多孔碳的AWH收割机在45分钟内吸收0.18 L kgcarbon−1，并在一个阳光照射下在10分钟内释放所有捕获的水，这是报告的最高值之一。分子设计和实验证实的结合表明，纳米多孔碳的有利结构(40%的吸附位点密度和~1.0nm孔径)降低了水的扩散阻力，从而加速了吸附动力学。由于这种方法可以推广到各种含碳材料，因此预计这一基本原理将为使用MOF衍生的纳米材料从空气中收集水的未来发展提供有希望的途径。
原文链接：
https:/ / doi.org/10.1038/ s41565-022-01135-y