大昌洋行(上海)有限公司(大昌華嘉科學(xué)儀器部)
諾貝爾獎(jiǎng)啟示:MOF材料的水吸附性能研究如何推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展
檢測(cè)樣品:MOF材料
檢測(cè)項(xiàng)目:吸水性能
方案概述:本文闡述了金屬有機(jī)骨架(MOFs)的吸水性能研究。多種鋯基MOF能夠滿足上述三個(gè)標(biāo)準(zhǔn),美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Omar M. Yaghi團(tuán)隊(duì)使用了BELSORP-aqua 3測(cè)試了它們的水吸附行為。
近年來,諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)多次表彰了在材料科學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域的突破性工作,尤其是在多孔材料與吸附機(jī)制方面的創(chuàng)新。這些研究不僅推動(dòng)了基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展,更為全球水資源、能源存儲(chǔ)等可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)提供了解決方案。
MOF材料:從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際應(yīng)用
金屬有機(jī)骨架(MOF)作為一種新興多孔材料,因其可調(diào)控的孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)異吸附性能,對(duì)水的吸附在水分捕獲和釋放的應(yīng)用場(chǎng)景中是十分重要的,一些關(guān)鍵應(yīng)用包括除濕、熱電池和偏遠(yuǎn)地區(qū)飲用水輸送[1]。一般來說,在設(shè)計(jì)適合儲(chǔ)水的吸附材料時(shí),有三個(gè)關(guān)鍵的考慮因素:
1)水向多孔材料中的孔隙填充或冷凝必須在較低的相對(duì)壓力(P/P0)或相對(duì)濕度(RH)下發(fā)生,并表現(xiàn)出陡峭的吸附行為。
2)材料需要有高吸水能力,可以最大限度地輸送水,并只需要簡(jiǎn)單的吸附/解吸過程,以提高能效。
3)材料具有較高的吸附/解吸循環(huán)性能和穩(wěn)定性。

本文闡述了金屬有機(jī)骨架(MOFs)的吸水性能研究。多種鋯基MOF能夠滿足上述三個(gè)標(biāo)準(zhǔn),美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Omar M. Yaghi團(tuán)隊(duì)使用了BELSORP-aqua 3測(cè)試了它們的水吸附行為。
關(guān)鍵詞:MOF,水吸附,大氣水捕獲與釋放,循環(huán)性能
在本應(yīng)用筆記中,我們對(duì)金屬有機(jī)骨架(MOFs)的吸水性能進(jìn)行了研究。
設(shè)計(jì)了多種鋯基MOFs以滿足上述三個(gè)標(biāo)準(zhǔn),并使用美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的BELSORP-aqua 3測(cè)試了它們的吸水性能。
關(guān)鍵詞:多氟醚,水吸附,大氣水捕獲和釋放,循環(huán)性能
實(shí)驗(yàn)
采用容量法蒸汽吸附儀BELSORP-aqua 3(新型號(hào):BELSORP MAX X-HT)對(duì)鋯基MOFs和沸石13X進(jìn)行25℃下水蒸氣吸脫附等溫線的分析表征。用戶友好的測(cè)試軟件可以進(jìn)行無人值守的循環(huán)測(cè)試,循環(huán)次數(shù)可達(dá)5次。每次循環(huán)測(cè)試之間對(duì)樣品進(jìn)行25度2小時(shí)的脫氣處理。單次可同時(shí)測(cè)試3個(gè)樣品,實(shí)現(xiàn)高通量測(cè)試。
結(jié)果與討論

圖1. 分子篩13X 在25?C下的水吸附/解吸循環(huán)測(cè)試
沸石由于在極低低相對(duì)壓力下吸附水,因此在商業(yè)上被用于電除濕機(jī)中捕獲水分。然而,由于沸石與水分子之間的強(qiáng)烈相互作用,需要將材料加熱至300°C,才能將吸附的水分子從孔隙中脫附。這個(gè)再生過程需要高能量輸入。因此,沸石不是與捕獲和釋放水分相關(guān)應(yīng)用的理想材料。從圖1中可以觀察到,沸石樣品在個(gè)吸附脫附等溫曲線測(cè)試中顯示出更高的吸水能力,而在室溫下再生后,在連續(xù)的循環(huán)測(cè)試中未能恢復(fù)相同的吸附能力。

圖2. MOF-801-P (A) 和 MOF-841(B)的水吸附/解吸循環(huán)測(cè)試
MOF-801-P(圖2(A))和MOF-841(圖2(B))的微晶粉末樣品顯示出較好的水蒸氣吸附脫附性能,完全符合簡(jiǎn)介中提到的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。這些MOF材料的吸附曲線在低壓區(qū)陡峭上升,即使在連續(xù)五個(gè)循環(huán)后,最大吸水量也幾乎保持恒定。這清晰地表明,這些MOF材料與水具有很強(qiáng)的相互作用,同時(shí)在溫和的條件下很容易再生。
為了將MOF用作汽車的熱交換器(即熱電池),需要在較低的相對(duì)壓力(P/P0 < 0.1)下捕集水,因?yàn)樗谖?解吸循環(huán)中無需安裝壓縮機(jī)或提高蒸發(fā)溫度。在這方面,MOF-801-P 是用于先進(jìn)熱電池的選擇之一。
MOF材料還可用于水收集應(yīng)用,以在飲用水稀缺的偏遠(yuǎn)沙漠地區(qū)捕獲、儲(chǔ)存和釋放大氣水。在這些地區(qū),典型的夏季白天溫度和相對(duì)濕度 (RH) 為 40 °C 和 5%,夜間急劇變化為 25°C 和 35%。在這種條件下,多孔材料可以在 5% - 35% RH(即 P/P0 = 0.05-0.35) 之間捕獲水,然后可以冷凝空氣中的水蒸氣??紤]到MOF-841在P/P0 = 0.3時(shí)能夠吸收44%的水,它在捕獲、儲(chǔ)存和釋放大氣水方面具有很大的潛力。
結(jié)論
鋯基MOF材料在捕獲、儲(chǔ)存和釋放水分應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。通過水蒸氣吸附儀能夠很好地評(píng)價(jià)MOF材料對(duì)水分的吸附作用,并有效地研究了MOF材料的循環(huán)性能。然而,吸附能力和循環(huán)穩(wěn)定性還取決于MOF晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷[2]。
參考文獻(xiàn)
[1] Furukawa, H. et al. J. Am. Chem. Soc. 136, 4369–4381 (2014).
[2] Gökpinar, S. et al. Ind. Eng. Chem. Res. 58, 21493–21503 (2019).
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