我国研制出模块化高效太阳能MOF空气取水装置

文章来源：上海交通大学

近日，上海交通大学王如竹团队联合中山大学张杰鹏、周东东团队在Cell Press旗下期刊Device上发表了题为“High Performance Solar-driven MOF Atmospheric Water Harvester with Ultra-dense Integrated Modular Design and Reflux Synthesis of Ni2Cl2(BTDD)”的研究论文，提出了一整套“材料-器件-装置”的综合技术方案。上海交大机械与动力工程学院博士研究生邵昭与中山大学硕士生唐玉成为论文第一作者，上海交大王如竹教授为通讯作者，中山大学张杰鹏教授、周东东副教授为共同通讯作者。

综合技术方案是扩大化低成本合成高性能MOF吸附剂Ni2Cl2(BTDD)的技术方案，以及与之配套的模块化紧凑式太阳能空气取水单元。该装置可以实现无任何外界电力等辅助能源或设备的情况下凭借太阳能实现连续运行，同时模块化的构造使得装置可以通过改变模块的数量，极为轻松地实现个性化定制。该技术方案为空气取水技术走向商业化奠定了基础，有望为世界水危机贡献交大智慧，实现从“久旱逢甘霖”到“久旱造甘霖”的重大突破。

由于工业化的进程与全球性的气候变化，目前全球仍有超过四十亿人面临着严峻的饮水危机。另一方面，大气中蕴藏着极为丰富的水蒸气，水含量大约相当于地球表面河流总量的6倍，如何大量且高效地提取出空气中的水蒸气，并将其以液态水的方式收集成为一个前沿问题。基于吸附式空气取水技术借助吸附剂实现低湿度下的水蒸气吸附以及低品位热源（如太阳能）的脱附，最终可以实现将大气中丰富的水蒸气转化为可直接饮用的液态水。虽然目前已有的研究初步展现了空气取水技术的可行性，但是研究中使用了较多电力驱动的辅助装置以增强系统表现，这在一定程度上忽视了以沙漠为代表的离网使用场景的实际使用条件。另一方面，高性能MOF吸附剂的扩大化合成也是这一技术扩展的一个重要障碍。研究基于吸附式空气取水技术，形成了一整套“材料-器件-装置”的综合技术方案，提出了扩大化低成本合成高性能MOF吸附剂Ni2Cl2(BTDD)的技术方案以及与之配套的模块化紧凑式太阳能空气取水机组。

在材料层面，研究团队经过筛选，选择Ni2Cl2(BTDD)作为首选材料。其一维孔道具有丰富且亲水的开放金属位点，优异的水稳定性和水吸附性能使其从众多MOF材料中脱颖而出。论文通过操作简易的回流法实现了百克级Ni2Cl2(BTDD)的制备，并结合配体和金属盐的溶解特性，依次采用水、N,N-二甲基乙酰胺以及甲醇洗涤的操作进行材料后处理以释放孔道。相比于现有的扩大化合成方案，回流法的生产成本缩减至79 CNY g-1。

基于扩大化合成吸附剂工艺探索，王如竹教授团队开发了一种高度紧凑的模块化且热分区的空气取水器。该样机实现了Ni2Cl2(BTDD)在装置层面的首次应用，在实验室条件下实现了在装置每平米仅使用不到四分之一重量吸附剂的情况下，得到可媲美复杂双级结构取水器的840.5 g m–2高取水量，以及23 L m–3的超高体积取水密度。为了进一步对装置性能进行检验，研究团队在上海、昆明等不同地点进行了实地测试，并对所得水样进行了水质测试。在昆明干旱寒冷的冬季，该取水机组在0.04 m2依然实现了22.6g的高水生产量，且水样离子浓度满足WHO对于直接饮用的要求。

该研究依托材料科学、热科学、工程制造等多个领域的交叉合作，得到了国家重点研发计划项目，国家自然科学基金项目等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.device.2023.100058

（原标题：上海交大王如竹ITEWA团队成功研制出模块化高效太阳能MOF空气取水装置）