香港大学Nat.Commun.|太阳能驱动的垂直排列MOF纳米片水凝胶膜用于大气水收集

第一作者：张龄月

通讯作者：汤初阳

通讯单位：香港大学

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54215-z

导读

香港大学汤初阳教授团队在Nature Communication上发表了题为“Hydrogel-embedded vertically aligned metal-organic framework nanosheet membrane for efficient water harvesting”的研究论文，提出了一种在水凝胶膜衬底上制造垂直排列的MOF纳米片(MOF-CT /PVA)的策略，以实现具有高吸水性的超快AWH（大气集水）。这种结构方法显著提高了水蒸气吸附，为设计复合MOF膜大气水分收集器以缓解淡水危机提供了潜在的解决方案。

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研究背景

全球水资源紧张，气候和人口增长加剧了这一问题。空气水捕集技术（AWH）提供了一种适合小规模和干旱地区的供水方案。金属有机框架（MOF）材料因其高孔隙率、结构可调性和稳定性等特性被广泛关注(1)，但受到吸水能力限制。结合MOF与聚合基底能提高水捕集效率，但存在技术挑战（2）。本研究通过在水凝胶基底上生长MOF纳米片层，解决了聚合基底稳定性和MOF形态控制问题，制成的MOF-CT/PVA膜能高效捕集水汽，实现太阳能驱动的水收集。

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核心内容解读

1. 水凝胶膜上MOF纳米片层的制备

要点快读：

以聚乙二醇作为交联剂，制备壳聚糖和聚乙烯醇水凝胶基底膜，通过刮涂控制厚度并经过相转化形成水凝胶基底，聚乙二醇同时作为非离子表面活性剂控制Zn-TCPP的各向异性生长，最终在水凝胶表面形成定向的MOF纳米片层（Fig. 1a，b）。Fig. 1c的扫描电子显微镜（SEM）图像展示了MOF-CT/PVA膜表面连续的花瓣状MOF层和垂直排列的纳米片结构。Fig. 1d和1e分辨展示了MOF-CT/PVA膜的机械稳定性和均匀性。

图1 水凝胶膜上垂直排列的MOF纳米片层的制备过程和表征

2.具有超亲水性的垂直排列的MOF纳米片

要点快读：

Fig. 2a，b和c分别通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）图谱，X射线衍射（XRD）图谱，X射线光电子能谱（XPS）等表征了MOF-CT/PVA的成功制备。Fig. 2d和e通过SEM、接触角以及表面自由能，证实了MOF-CT/PVA具有极高的亲水性。综上，这些结果共同证明了MOF纳米片在水凝胶基底上的成功制备，以及它们在结构和化学性质上的特殊性，这些特性对于提高水蒸气吸附和传输效率至关重要。

图2 MOF纳米片和水凝胶膜的物理化学性质

3.超快水蒸气收集性能

要点快读：

Figure 3 通过实验和模拟结果综合展示了MOF-CT/PVA膜在水蒸气收集方面的优势：a部分揭示了不同结构设计对水蒸气捕获和传输效率的影响，强调了垂直排列MOF纳米片在提高水吸收和传输中的关键作用；b部分通过计算流体动力学模拟比较了水平和垂直MOF结构对水分子传输的影响，显示垂直结构更有利于水分子快速到达水凝胶基底；c部分和d部分的实验数据直观展示了MOF-CT/PVA在不同相对湿度下相较于其他结构的水蒸气吸收性能，证明了其卓越的水吸收能力和快速吸附动力学；e部分则将MOF-CT/PVA的性能与文献中其他水收集材料进行了对比，凸显了其在水吸收量和吸附速率上的显著优势。

图3 MOF-CT/PVA复合材料的AWH性能及形态对水传输的影响

4.太阳能驱动的蒸发和循环性能

要点快读：

Fig.4a通过红外热像图和温度变化曲线展示了MOF-CT/PVA在模拟太阳光照射下表面温度的迅速升高，证明了其优异的光热转换性能；Fig.4b部分的水蒸气吸附和解吸曲线显示了MOF-CT/PVA在高湿度下快速吸收水分并在阳光照射下迅速释放水分的能力；Fig.4c的循环性能测试结果表明MOF-CT/PVA在连续的吸附-解吸循环中保持了稳定的性能，展现了良好的结构稳定性和耐用性；Fig.4d部分的示意图概述了MOF-CT/PVA在夜间吸收水分和白天太阳能驱动释放水分的过程，强调了其在实际应用中全天候水收集的潜力。这些结果共同证实了MOF-CT/PVA作为一种高效的大气水收集材料，不仅具有快速的水吸收能力，还具备通过太阳能实现水分快速释放的能力。

图4 太阳能驱动水凝胶膜集水器的水蒸气解吸和循环性能

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结论与展望

本研究通过使用PEG作为交联剂和表面活性剂，成功实现了在水凝胶膜上垂直排列的MOF纳米片的定向生长，这种结构不仅增强了材料的超亲水性，还显著提升了大气水收集效率。这种复合结构充分利用了MOF和水凝胶的各自优点，实现了快速的水吸收和太阳能驱动的水分释放，展示了优异的吸附-解吸动力学和稳定性。此外，该研究提供的合成策略为未来开发多功能先进材料提供了新途径，且MOF-CT/PVA膜在室内外测试中均显示出高效的水收集能力，强调了其在解决淡水危机中的潜在应用价值。

重要参考文献：

[1] Kim, H. et al. Water harvesting from air with metal-organic frameworks powered by natural sunlight. Science 356, 430–434 (2017).

[2] Zhou, C. et al. The continuous efficient conversion and directional deposition of lithium (poly)sulfides enabled by bimetallic site regulation. Nano Energy 98, 107332 (2022).

文章信息

Zhang, L., Li, R., Zheng, S. et al. Hydrogel-embedded vertically aligned metal-organic framework nanosheet membrane for efficient water harvesting. Nat Commun 15, 9738 (2024).

DOI:10.1038/s41467-024-54215-z