...製冷所交叉學科研究成果在《德國應用化學》上發表,提出太陽能...

2020-11-24 上海交通大學新聞網

近日，上海交大製冷與低溫工程研究所王如竹教授和李廷賢副教授等組成的能源-空氣-水ITEWA創新團隊在化學領域期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上發表了題目為「Efficient Solar-driven Water Harvesting from Arid Air with Metal-organic Frameworks Modified by Hygroscopic Salt」的熱點研究論文，針對乾旱地區缺水難題，開發了基於金屬有機骨架材料（MOFs）的新型複合吸附材料，應用在空氣取水裝置中，實現了從空氣中吸附收集液態飲用水，具有效率高、零耗能、循環穩定性好等優勢。本文第一作者是製冷所博士研究生許嘉興和李廷賢副教授，通訊作者是李廷賢副教授和王如竹教授。

圖1. 基於LiCl@MIL-101(Cr)複合吸附材料的太陽能驅動空氣取水原理及性能比較

空氣取水技術是解決乾旱地區水資源匱乏問題的重要思路和方法，其原理是採用吸附材料吸附夜間空氣中的水蒸汽，並在白天太陽能驅動作用下實現水蒸汽脫附冷凝得到液態飲用水。美國麻省理工學院和加州大學伯克利分校合作率先報導了採用MOF-801實現乾旱空氣取水的方法，吸附量為0.25kg水每千克MOF（Science 2017, 356, 430-434）。然而受限於目前吸附材料在低相對溼度下吸附量少的瓶頸問題，現有報導的空氣取水裝置取水量大多低於0.3kg水每千克吸附劑，難以進行大規模商業化應用。

 

圖2. LiCl@MIL-101(Cr)複合吸附材料的製備與表徵

本論文篩選了適合乾旱條件下空氣取水應用的最佳吸溼性無機鹽材料，為解決吸溼性鹽材料的吸附速率緩慢及熱穩定性差的問題，提出了通過離子溶液滲透法將高吸溼性鹽氯化鋰封裝在多孔MOFs材料中製備複合吸附材料的新思路，成功製備了含鹽量高達51%的LiCl@MIL-101(Cr)複合吸附材料，具有水蒸汽吸附量大、吸附速率高、穩定性好的優點，在30%相對溼度條件下的水蒸汽吸附量高達0.77kg/kg，高於目前報導的MOF材料和MOF基質複合材料在乾燥空氣中水蒸汽的吸附量。

 

圖3. 空氣取水裝置的構建及其在一個太陽光照條件下的空氣取水性能

研究團隊將製備的複合吸附材料應用在空氣取水裝置中，實現了在低相對溼度條件下，從乾燥空氣中快速吸附捕捉水蒸汽與自然光照下的加熱脫附收集。該裝置單次循環的空氣取水量高達0.45~0.70 kg/kg，高於目前國際頂級期刊的報導數據，該方法有望推動基於吸附材料的空氣取水技術的發展與商業化應用。

該研究工作得到了國家自然科學基金（No.51876117）、國家重點研發計劃項目（2018YFE0100300）和國家自然科學基金創新研究群體項目（51521004）的資助。王如竹教授領銜的ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）團隊曾在Joule、Advance Materials等高水平期刊上發表多篇論文，致力於解決能源、水、空氣交叉領域的前沿基礎性科學問題和關鍵技術，旨在通過學科交叉實現材料-器件-系統層面的整體解決方案，推動相關領域取得突破性進展。

附：期刊簡介 

《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）創刊於1888年，由德國化學會和John Wiley & Sons, Inc.聯合出版發行（IF: 12.257），是德國化學學會的官方期刊，報導化學學科原創性研究成果。

論文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201915170

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