上海交大王如竹教授《自然·通讯》：新型复合材料突破太阳能空气取水技术瓶颈，实现高效跨气候淡水生产

全球超过40亿人正面临淡水短缺危机，而大气中水蒸气的总量相当于地表河流湖泊总水量的六倍。如何将大气中的水蒸气转化为可饮用的液态水，已成为具有重大社会意义的研究方向。其中，基于吸附的太阳能驱动大气水收集技术因能适应不同湿度环境、可利用太阳能等低品位能源而备受关注。然而，该技术的广泛应用面临两大关键挑战：夜间高湿度吸附窗口未被充分利用，以及传统吸附剂所需解吸温度过高导致日间解吸不足。

为解决这些难题，上海交通大学王如竹教授、中山大学张杰鹏教授、周东东教授合作提出了一种复合吸附剂策略，通过将LiCl的低蒸发热与金属有机框架材料的高吸附容量和稳定性协同结合，显著提升了太阳能驱动大气水收集系统的性能。该复合材料实现了比典型MOF基系统更低的解吸温度，同时延长了在高湿度窗口内的吸附时间。在不同气候区域的现场验证表明，该复合材料具有广泛的环境适应性和稳定性，其SAWH装置在大陆性气候的野外测试中实现了高达91%的太阳能-水转化效率提升。这项研究为通过协同材料工程设计提升SAWH性能提供了一条通用且有效的途径。相关论文以“Synergistic MOF-based composite enabling significant solar-to-water generation enhancement in climate-resilient AWH”为题，发表在

Nature Communications

研究团队以Ni₂Cl₂(BTDD)为基体，通过浸渍法将不同浓度的LiCl均匀负载到材料的内部骨架上，制备了LiCl@Ni₂Cl₂(BTDD)复合材料。表征结果显示，LiCl成功负载于MOF孔道内，形成了单分子层，使复合材料孔径从约2.20纳米减小至1.66纳米。该复合材料在30°C、80%相对湿度条件下展现出高达3.46 g g⁻¹的超高吸水容量，其吸附等温线呈现出独特的盐化学吸附、潮解和溶液吸收三步行为。更重要的是，该吸附剂在低至60°C的温度下即可实现94.7%的吸水量的解吸，并在10次循环测试中保持稳定的高性能。

图1：MOF基复合吸附剂的性能表征。 a) Ni₂Cl₂(BTDD)和b) 假设的LiCl@Ni₂Cl₂(BTDD)结构示意图（紫色、绿色、灰色、蓝色、红色和白色节点分别代表Ni、Cl、C、N和O原子。橙色代表孔内的LiCl。为清晰起见省略H原子）。c) Ni₂Cl₂(BTDD)和LiCl@Ni₂Cl₂(BTDD)_30的N₂ (77 K)吸附等温线（插图：孔径分布）。d) LiCl@Ni₂Cl₂(BTDD)_30在30°C下的水吸附等温线，展示了水捕获阶段的多步吸附过程。步骤1：在P/P₀ < 0.11时，随着湿度增加，活性LiCl发生化学吸附，吸水率迅速上升；步骤2：在P/P₀ = 0.11时，由于LiCl·H₂O潮解，吸水率急剧上升；步骤3：在P/P₀ > 0.11时，由于LiCl溶液的吸收，吸水率缓慢上升。e) 材料在吸附条件（30°C, 80% RH）和解吸条件（80°C, 3.6% RH）下的吸附/解吸动力学曲线。f) 材料在吸附条件（30°C, 80% RH）和解吸条件（80°C, 3.6% RH）下的多循环稳定性测试。

针对实际应用，研究人员构建了一种高度紧凑、模块化的光热驱动AWH系统。该系统采用模块化吸附床和具有双层隔热传质板的冷凝器，通过内部热分区实现了冷凝与解吸过程的热需求解耦。实验室测试表明，基于MOF复合材料的装置在7小时内每平方米可产生超过1升液态水，热效率相比纯MOF基装置提升25%。尤为突出的是，即使在低至400 W m⁻²的辐照强度下，该系统仍能产生超过500 g m⁻²的水量，展现了强大的实际应用潜力。

图2：光热驱动AWH装置及实验室测试。 a) 所提出的AWH装置的工作原理。b) AWH装置的3D模型。组件1-5：1. 双层隔热层；2. 光热板；3. 模块化吸附床；4. 双层传质板；5. 集成冷凝室。c) 内部结构及热辐射衰减机制。d) 7小时实验中产水量的变化。e) 温度分布特征随时间的变化。1-4：1. MOF基装置的光热板。2. MOF复合材料基装置的光热板。3. MOF复合材料基装置的冷凝室。4. MOF复合材料基装置的散热翅片。f) 循环测试（第4-12次循环）中解吸的水蒸气量和产水量。吸附条件：30°C和80% RH。解吸条件：30°C和35% RH，辐照强度为1,000 W m⁻²。

为评估系统在不同真实场景下的性能，研究团队在上海、济南和昆明等多个气候区进行了对比野外实验。结果显示，MOF复合材料系统在不同气候条件下均优于纯MOF装置。在代表中高湿度环境的上海和济南，复合系统集水量增加了近50%，其中济南的产水提升幅度超过90%。即使在昆明冬季的低温条件下，该系统仍能有效产水。详细分析表明，复合材料装置能在更低的相对湿度环境下启动解吸，并利用夜间高湿度实现连续吸附，充分延长了有效吸附时间。

水质分析证实，收集到的水样中未检测到锂离子或镍离子，其离子浓度与蒸馏水相同，符合直接饮用标准，同时证明了盐分在过程中没有泄漏。

图3：户外实验。 a) 户外实验装置示意图。b) 上海实验中关键部件的温度数据（2022年10月3日）。1-4：1. MOF基装置的光热板。2. MOF复合材料基装置的光热板。3. MOF复合材料基装置的冷凝室。4. MOF复合材料基装置的散热翅片。c) 上海户外实验的气候数据（2022年10月1-3日）。d) 上海实验（10月1日）的夜间吸附数据及收集的水量（插图：测试中收集的水）。

这项研究通过将吸湿盐引入MOF材料构建复合吸附剂，显著提高了材料在不同湿度条件下的动态适应性和解吸性能。所开发的复合材料在60°C下即可实现近乎完全的解吸，并随着湿度升高提供更高的吸水容量，具备广泛的环境兼容性。野外测试数据表明，采用这种环境自适应策略，复合吸附剂能更好地适应未来湿度增加和吸湿时间延长带来的益处，为实现高效、稳定、跨气候的分布式供水解决方案提供了强有力的材料与技术支持。