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上海交大研发新型复合吸附材料 实现从空气中吸附液态水
上海交大 / 时间:2020-02-12 22:15:10

贤集网2月12日讯:近日,上海交大制冷与低温工程研究所王如竹教授和李廷贤副教授等组成的能源-空气-水ITEWA创新团队在化学领域期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上发表了题目为“Efficient Solar-driven Water Harvesting from Arid Air with Metal-organic Frameworks Modified by Hygroscopic Salt”的热点研究论文,针对干旱地区缺水难题,开发了基于金属有机骨架材料(MOFs)的新型复合吸附材料,应用在空气取水装置中,实现了从空气中吸附收集液态饮用水,具有效率高、零耗能、循环稳定性好等优势。本文第一作者是制冷所博士研究生许嘉兴和李廷贤副教授,通讯作者是李廷贤副教授和王如竹教授。

上海交大研发新型复合吸附材料 实现从空气中吸附液态水

图1. 基于LiCl@MIL-101(Cr)复合吸附材料的太阳能驱动空气取水原理及性能比较

空气取水技术是解决干旱地区水资源匮乏问题的重要思路和方法,其原理是采用吸附材料吸附夜间空气中的水蒸汽,并在白天太阳能驱动作用下实现水蒸汽脱附冷凝得到液态饮用水。美国麻省理工学院和加州大学伯克利分校合作率先报道了采用MOF-801实现干旱空气取水的方法,吸附量为0.25kg水每千克MOF(Science 2017, 356, 430-434)。然而受限于目前吸附材料在低相对湿度下吸附量少的瓶颈问题,现有报道的空气取水装置取水量大多低于0.3kg水每千克吸附剂,难以进行大规模商业化应用。

上海交大研发新型复合吸附材料 实现从空气中吸附液态水

图2. LiCl@MIL-101(Cr)复合吸附材料的制备与表征

本论文筛选了适合干旱条件下空气取水应用的最佳吸湿性无机盐材料,为解决吸湿性盐材料的吸附速率缓慢及热稳定性差的问题,提出了通过离子溶液渗透法将高吸湿性盐氯化锂封装在多孔MOFs材料中制备复合吸附材料的新思路,成功制备了含盐量高达51%的LiCl@MIL-101(Cr)复合吸附材料,具有水蒸汽吸附量大、吸附速率高、稳定性好的优点,在30%相对湿度条件下的水蒸汽吸附量高达0.77kg/kg,高于目前报道的MOF材料和MOF基质复合材料在干燥空气中水蒸汽的吸附量。

上海交大研发新型复合吸附材料 实现从空气中吸附液态水

图3. 空气取水装置的构建及其在一个太阳光照条件下的空气取水性能

研究团队将制备的复合吸附材料应用在空气取水装置中,实现了在低相对湿度条件下,从干燥空气中快速吸附捕捉水蒸汽与自然光照下的加热脱附收集。该装置单次循环的空气取水量高达0.45——0.70 kg/kg,高于目前国际顶级期刊的报道数据,该方法有望推动基于吸附材料的空气取水技术的发展与商业化应用。

该研究工作得到了国家自然科学基金(No.51876117)、国家重点研发计划项目(2018YFE0100300)和国家自然科学基金创新研究群体项目(51521004)的资助。王如竹教授领衔的ITEWA(Innovative Team for Energy, Water & Air)团队曾在Joule、Advance Materials等高水平期刊上发表多篇论文,致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术,旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案,推动相关领域取得突破性进展。