MOF材料：從實驗室到實際應用
金屬有機骨架（MOF）作為一種新興多孔材料，因其可調控的孔結構和優異吸附性能，對水的吸附在水分捕獲和釋放的應用場景中是十分重要的，一些關鍵應用包括除濕、熱電池和偏遠地區飲用水輸送^[1]。一般來說，在設計適合儲水的吸附材料時，有三個關鍵的考慮因素：

1）水向多孔材料中的孔隙填充或冷凝必須在較低的相對壓力（P/P0）或相對濕度（RH）下發生，并表現出陡峭的吸附行為。

2）材料需要有高吸水能力，可以最大限度地輸送水，并只需要簡單的吸附/解吸過程，以提高能效。

3）材料具有較高的吸附/解吸循環性能和穩定性。

本文闡述了金屬有機骨架（MOFs）的吸水性能研究。多種鋯基MOF能夠滿足上述三個標準，美國加州大學伯克利分校Omar M. Yaghi團隊使用了BELSORP-aqua 3測試了它們的水吸附行為。

關鍵詞：MOF，水吸附，大氣水捕獲與釋放，循環性能

在本應用筆記中，我們對金屬有機骨架（MOFs）的吸水性能進行了研究。

設計了多種鋯基MOFs以滿足上述三個標準，并使用美國加州大學伯克利分校的BELSORP-aqua 3測試了它們的吸水性能。

關鍵詞：多氟醚，水吸附，大氣水捕獲和釋放，循環性能

實驗

采用容量法蒸汽吸附儀BELSORP-aqua 3(新型號：BELSORP MAX X-HT)對鋯基MOFs和沸石13X進行25℃下水蒸氣吸脫附等溫線的分析表征。用戶友好的測試軟件可以進行無人值守的循環測試，循環次數可達5次。每次循環測試之間對樣品進行25度2小時的脫氣處理。單次可同時測試3個樣品，實現高通量測試。

結果與討論

圖1. 分子篩13X 在25?C下的水吸附/解吸循環測試

沸石由于在極低低相對壓力下吸附水，因此在商業上被用于電除濕機中捕獲水分。然而，由于沸石與水分子之間的強烈相互作用，需要將材料加熱至300°C，才能將吸附的水分子從孔隙中脫附。這個再生過程需要高能量輸入。因此，沸石不是與捕獲和釋放水分相關應用的理想材料。從圖1中可以觀察到，沸石樣品在個吸附脫附等溫曲線測試中顯示出更高的吸水能力，而在室溫下再生后，在連續的循環測試中未能恢復相同的吸附能力。

圖2. MOF-801-P (A) 和 MOF-841(B)的水吸附/解吸循環測試

MOF-801-P（圖2（A））和MOF-841（圖2（B））的微晶粉末樣品顯示出較好的水蒸氣吸附脫附性能，完全符合簡介中提到的三個標準。這些MOF材料的吸附曲線在低壓區陡峭上升，即使在連續五個循環后，最大吸水量也幾乎保持恒定。這清晰地表明，這些MOF材料與水具有很強的相互作用，同時在溫和的條件下很容易再生。

為了將MOF用作汽車的熱交換器（即熱電池），需要在較低的相對壓力（P/P0 < 0.1）下捕集水，因為它在吸附/解吸循環中無需安裝壓縮機或提高蒸發溫度。在這方面，MOF-801-P 是用于先進熱電池的選擇之一。

MOF材料還可用于水收集應用，以在飲用水稀缺的偏遠沙漠地區捕獲、儲存和釋放大氣水。在這些地區，典型的夏季白天溫度和相對濕度 （RH） 為 40 °C 和 5%，夜間急劇變化為 25°C 和 35%。在這種條件下，多孔材料可以在 5% - 35% RH（即 P/P0 = 0.05-0.35） 之間捕獲水，然后可以冷凝空氣中的水蒸氣?？紤]到MOF-841在P/P0 = 0.3時能夠吸收44%的水，它在捕獲、儲存和釋放大氣水方面具有很大的潛力。

結論

鋯基MOF材料在捕獲、儲存和釋放水分應用中表現出優異的性能。通過水蒸氣吸附儀能夠很好地評價MOF材料對水分的吸附作用，并有效地研究了MOF材料的循環性能。然而，吸附能力和循環穩定性還取決于MOF晶體結構中的缺陷^[2]。

參考文獻

[1] Furukawa, H. et al. J. Am. Chem. Soc. 136, 4369–4381 (2014).

[2] Gökpinar, S. et al. Ind. Eng. Chem. Res. 58, 21493–21503 (2019).