研究背景

隨著全球性水危機日益嚴重，以吸附式空氣取水、海水淡化等為代表的水資源研究已經成為備受關注的前沿研究領域。吸附式空氣取水借助高性能吸附劑實現對空氣中水蒸氣的高效捕捉，之后借助太陽能等低品位熱源實現對水蒸氣的釋放，所釋放的水蒸氣在局部空間內營造了極高濕度的環境從而使水蒸氣在高于環境溫度的情況下冷凝從而實現大氣中氣態水向可飲用的液態水的轉化。這一技術具有廣泛的地區適用性，即便在干旱的沙漠中每立方米的空氣中往往仍有超過5g的水蒸汽可被利用，可能成為人類隨時隨地取水可行的技術方案。本研究基于實際使用需求，構建了一種無需任何輔助裝置，借助太陽能光熱純被動運行的MOF空氣取水裝置。該裝置實現了模塊化的設計，裝置可以適應未來的進一步擴展與個性化的定制從而實現隨時隨地的高效制水，使用者僅需根據使用場景確定所需的模塊數量就可以實現場景化的定制。經過檢測所制得的水可滿足WHO對于直接飲用的離子濃度要求。該裝置實現了商業化所必需的可拓展性要求，為MOF空氣取水這一革命性的技術從實驗室走向商業化奠定了基礎。

高效吸附劑篩選與大規模制備工藝

金屬有機框架（metal-organic framework，MOF）是一種多功能的晶態多孔材料，部分MOF材料已被證實具有有效的戶外取水性能（如MOF-801和MOF-303），但為了獲得更高的一次吸脫附循環的捕水量，亟需結合空氣取水實際需要挑選出低濕度下具有高水吸附量的材料，以及材料大規模制備的方案以適應商業化規模使用的要求。

Ni₂Cl₂(BTDD)的一維孔道具有豐富且親水的開放金屬位點，優異的水穩定性和水吸附性能使其從眾多MOF材料中脫穎而出。本論文通過操作簡易的回流法實現了百克級Ni₂Cl₂(BTDD)的制備，并結合配體和金屬鹽的溶解特性，依次采用水、N,N-二甲基乙酰胺以及甲醇洗滌的操作進行材料后處理以釋放孔道。相比于現有的擴大化合成方案，回流法的生產成本縮減至79 CNY g^-1。

放大合成的Ni₂Cl₂(BTDD)材料在工況下（40% RH，30 ℃吸附；3.6% RH，80 ℃脫附）可快速實現水蒸氣吸附（~80 min）以及脫附再生（~10 min），水蒸氣百輪吸脫附循環測試后水吸附量僅衰減~2.5%，十分利于裝置的長期高效穩定運行，為后續的模塊化空氣取水裝置整合提供基本的材料保障。

高效模塊化裝置構建以及實際測試

基于批量化合成的高性能吸附劑Ni₂Cl₂(BTDD)，該研究開發了一種可擴展的模塊化高性能純被動式太陽能空氣取水器。該研究中首先分析了空氣取水的熱需求：在吸附劑的解吸階段吸附劑側需要高解吸溫度以實現吸附劑中水蒸氣的釋放，而釋放出的水蒸氣則需要一個溫度盡可能低的冷凝面，這一技術路徑決定了在空氣取水裝置中的不同部位必然存在著相反的溫度需求。在過去的研究中為了展示空氣取水的可行性，研究人員通常使用電力驅動的輔助裝置從上述兩個角度出發提升裝置性能，例如采用電加熱或聚光裝置提升熱源度以及利用電制冷裝置或空調降低冷凝溫度。這些研究展示了空氣取水技術的巨大潛力，但是大量輔助設施的應用不利于商業化的推廣，同時現有研究大多基于較小尺度的展示，并沒有針對實際需求進行模塊化的優化。

基于此，本研究開發了一種可進行模塊化放大的高效空氣取水裝置。根據裝置內不同的熱需求，研究團隊設計了具備叉流雙層孔道結構的隔熱傳質板以減少高溫吸附劑側與低溫冷凝壁面側的輻射與對流換熱，從而實現裝置內部溫度精準分區。在高溫吸附劑側，研究團隊構建了可規?；糯蟮哪K化吸附床，該吸附床由4cm*4cm的吸附模塊組成，內部有高導熱的翅片輔助熱量傳遞。吸附床的封裝采用了透濕且無毒的PTFE薄膜，而光熱板則選用了高效的藍鈦涂層的薄膜。針對光熱面保溫難的問題，不同于現有單層透明蓋板保溫的結構，研究人員探索了雙層透明蓋板隔熱保溫的策略，以犧牲部分透光率的代價提升了光熱板的保溫性能。經過優化后的裝置在實驗室實驗中（35 ℃，35%RH，1000W m^-2）體現了十分優異的性能表現，光熱板熱源溫度達到97℃，冷凝面溫度與環境溫差僅5℃，同時內部溫差在3.5cm緊湊腔體內超過了60℃，實現了840.5 g m^–2的高取水量以及23 L m^–3的超高體積取水密度。

為了進一步對裝置性能進行檢驗，研究團隊在上海、昆明等不同地點進行了實地測試，并對所得水樣進行了水質測試。在昆明干旱寒冷的冬季，該取水裝置在0.04 m²依然實現了22.6g的高水生產量且水樣離子濃度滿足WHO對于直接飲用的要求。

總結

總之，基于空氣取水商業化規?；卣沟膶嶋H需求，本研究實現了一種綜合的MOF空氣取水器技術方案。針對MOF擴大化制備難、裝置拓展難兩大難題，分別針對性地開發了整套高效MOF吸附劑Ni₂Cl₂(BTDD)回流合成方案以及模塊化且熱分區的空氣取水器。最終形成的樣機實現了Ni₂Cl₂(BTDD)在裝置層面的首次應用，在實驗室條件下實現了在裝置每平米僅使用不到四分之一重量吸附劑的情況下得到可媲美復雜雙級結構取水器的840.5 g m^–2高取水量以及23 L m^–3的超高體積取水密度且無需額外輔助設備。之后的實地測試以及水質測試均展示了這一技術路線的巨大潛力。這一研究表明，為了促進科技走向實際應用，基于技術原理針對商業化應用場景對裝置進行進一步優化是必需而潛力巨大的。

Link：https://doi.org/10.1016/j.device.2023.100058