CEJ导读 | 软模板构筑多级孔MOF实现超低湿环境下高效大气集水

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成果简介

第一作者：冯锦华（中山大学）

通讯作者：薛铭教授（中山大学）

论文DOI：10.1016/j.cej.2026.182436

近日，中山大学化学工程与技术学院薛铭教授团队在 Chemical Engineering Journal 发表了题为“Cooperative Template-Directed Synthesis of Hierarchically Porous MOF for Efficient Atmospheric Water Harvesting in Arid Conditions”的研究论文。该研究提出了一种协同模板策略（cooperative templating strategy），通过表面活性剂CTAB与配位调节剂柠檬酸（CA）的协同作用，在保持MOF-303主体晶体结构的基础上，构筑具有微孔–介孔–大孔多级孔结构的HP-MOF-303。

传统MOF吸附剂虽然具有丰富的孔结构和可调控的吸附位点，但在超低湿环境下仍面临水分子传输受限、吸附容量不足以及循环再生效率低等问题。该工作通过引入多级孔道体系，实现了“微孔强吸附捕获—介孔/大孔快速传输与储存”的协同水捕获机制。HP-MOF-303在10% RH条件下实现187 mg·g⁻¹的水吸附容量，相比原始MOF-303提升约50%，同时表现出135 mg·g⁻¹·h⁻¹的快速吸附动力学。进一步结合石墨光热材料构筑HP-MOF-303/G复合吸附体系，实现太阳能驱动快速脱附。在模拟干旱环境（25 ℃，10% RH）下，该体系构建的大气集水装置可实现1.00 L·kg⁻¹·day⁻¹的产水性能，并在户外环境中达到1.29–1.32 L·kg⁻¹·day⁻¹的集水效率。

该研究为低湿度区域大气集水材料的结构设计提供了新的思路，证明了多级孔工程策略在协调水分捕获、传输和释放过程中的重要作用。

研究背景

图文导读

图1. 协同模板策略构筑HP-MOF-303多级孔结构的示意图。

研究团队以经典水吸附材料MOF-303为基础，引入CTAB和柠檬酸构建协同模板体系。其中，CTAB作为介孔结构导向剂形成模板界面，促进框架异质生长；CA则通过调节Al–配体组装过程，实现孔结构调控。二者协同作用最终形成具有介孔和大孔结构的HP-MOF-303。

图2. HP-MOF-303的结构与孔结构表征。（a）MOF-303和HP-MOF-303的SAXD图谱，插图为广角XRD图谱；（b）HP-MOF-303的SEM图像；（c）结合HK、DFT模型及压汞测试获得的孔径分布；（d）MOF-303与HP-MOF-303的孔隙率对比。

结构表征证实了HP-MOF-303多级孔结构的成功构筑。SAXD测试中，HP-MOF-303在2θ≈0.8°处出现明显的低角度衍射峰，对应约11.03 nm的周期尺度，表明材料中形成有序介观结构。SEM观察显示，HP-MOF-303中出现大量开放的介孔和大孔区域。结合N2吸附–脱附测试、HK/DFT孔径分析以及压汞测试可以确定，其孔径分布跨越微孔（0.9 nm）、介孔（11.6 nm）和大孔（349.2 nm）三个尺度。与原始MOF-303相比，HP-MOF-303的总体孔隙率提高了37.77%。

图3. MOF-303与HP-MOF-303的低湿水吸附性能。（a–c）分别在7%、10%和12% RH下的动态水吸附–脱附曲线，其中吸附温度为298 K、脱附温度为353 K；（d）不同相对湿度下HP-MOF-303的平衡吸水量及表观吸附速率系数；（e）HP-MOF-303与代表性MOF/COF吸附剂在不同湿度条件下的吸水性能比较；（f）不同材料在7%、10%和12% RH下的吸水容量对比。

HP-MOF-303在三个超低湿条件下均表现出比MOF-303更高的吸水量和更快的整体吸附–释放响应。以10% RH为例，HP-MOF-303的水吸附容量达到187 mg·g⁻¹，相比MOF-303提升超过50%；其298 K下吸附速率达到135 mg·g⁻¹·h⁻¹，353 K下脱附速率达到220 mg·g⁻¹·h⁻¹。进一步采用线性驱动力模型（LDF）对吸附动力学进行拟合，各湿度下拟合决定系数R²均高于0.995。随着相对湿度增加，平衡水吸附量提高，而达到更高平衡负载需要经历更充分的水簇生长、跨孔道传输和孔填充过程，因此其分数平衡过程相应延长。与代表性MOF和COF吸水材料相比，HP-MOF-303在7–12% RH超低湿区间表现出突出的水吸附容量。论文分析认为，这种容量和整体吸附动力学的同步改善主要来源于多级孔道之间的协同作用：微孔负责初始水捕获与水簇成核，介孔和大孔则促进后续水传输与水分累积。

图4. 分子模拟揭示HP-MOF-303中的水吸附演变过程。（a，b）分别含5和10个水分子时的初始位点吸附；（c，d）分别含50和100个水分子时的水簇成核与生长；（e，f）分别含200和250个水分子时的介孔区域水分累积与孔填充。

为了进一步理解HP-MOF-303中水分子的吸附与演变过程，研究团队结合FT-IR、等量吸附热分析和分子模拟，对不同水负载状态下的水–框架相互作用进行了研究。FT-IR测试表明，吸水后的HP-MOF-303在3000–3500 cm⁻¹范围内出现显著增强的宽峰，证明材料内部形成了大量氢键水。随着吸附量增加，HP-MOF-303的等量吸附热逐渐降低；当吸水量超过约160 mg·g⁻¹时，其吸附热逐渐接近水的汽化焓，说明此时吸附过程由初始的水–框架强相互作用逐渐转向以水–水氢键、水簇生长及孔填充为主导。分子模拟进一步将这一过程划分为三个阶段。Stage I为初始位点吸附阶段，少量水分子优先结合于MOF骨架中的极性位点；随着吸附继续进行，进入Stage II水簇成核阶段，已吸附的水分子成为新的成核中心，通过氢键吸引更多水分子并逐渐形成水簇；在更高水负载下进入Stage III孔填充阶段，水簇进一步从受限的微孔区域向介孔空间扩展，并在介孔区域发生明显积累。

图5. HP-MOF-303/G的光热转换与太阳能驱动水释放性能。（a）HP-MOF-303与HP-MOF-303/G在280–2500 nm范围内的UV–Vis–NIR吸收光谱；（b）氙灯照射条件下HP-MOF-303/G的表面温度变化；（c）单太阳光照射过程中的红外热成像图；（d）模拟干旱条件下HP-MOF-303/G的动态吸水–释水过程；（e）10% RH条件下连续50次吸附–脱附循环稳定性。

由于HP-MOF-303本身的太阳光吸收能力有限，研究团队进一步加入30 wt%无孔石墨，制备HP-MOF-303/G光热复合吸附剂。HP-MOF-303/G在280–2500 nm范围内表现出超过95%的近全光谱吸收。在氙灯照射下，材料表面温度可在5 min内快速升至57.2 ℃。在25 ℃、10% RH模拟干旱环境中，HP-MOF-303/G能够在60 min内达到约95%的平衡吸附量；随后在单太阳光照射下，约90%的已吸附水可在30 min内释放。此外，在10% RH条件下进行连续50次吸附–脱附循环后，材料仍保持稳定、可逆的水吸附–释放行为，说明多级孔结构与光热组分的结合能够同时实现低湿捕水和快速太阳能再生。

图6. HP-MOF-303/G基大气集水装置及其产水性能。（a）可转换式吸附–脱附大气集水装置示意图；（b）太阳能驱动脱附过程中水蒸气在装置内壁逐渐冷凝的照片；（c）模拟干旱条件下各循环产水量及累积产水量；（d）户外测试过程中的实时产水量及累积产水量；（e）收集水样中离子浓度与WHO饮用水指导值的比较；（f）户外测试期间太阳辐照强度、相对湿度和环境温度变化。

研究团队进一步构建了基于HP-MOF-303/G的可转换式吸附–脱附大气集水装置，并分别在模拟干旱环境和自然户外条件下开展产水测试。在吸附阶段，装置保持开启，使HP-MOF-303/G直接与环境空气接触并捕获水蒸气；进入产水阶段后，装置旋转60°形成密闭状态，并接受单太阳光照射，使吸附水快速脱附并在内壁冷凝。装置运行过程中，吸附剂温度可升至约62 ℃，实现有效太阳能再生。在25 ℃、10% RH的模拟干旱环境下，每个循环由1 h吸附和0.5 h太阳能脱附组成。连续6个循环中，装置平均获得167 mg·gMOF⁻¹·cycle⁻¹的校正后产水量，对应累积日产水量达到1.00 L·kgMOF⁻¹·day⁻¹，相对于10% RH下187 mg·g⁻¹的平衡吸水容量，其表观集水效率约为89.3%。研究团队进一步开展了自然太阳光条件下的户外实验。随着实际太阳辐照强度、环境温度和相对湿度动态变化，HP-MOF-303/G装置仍实现了1.29–1.32 L·kgMOF⁻¹·day⁻¹的累积产水量。同时，对所收集水样进行ICP-MS分析发现，检测到的离子浓度均低于论文所采用的WHO饮用水指导值；水样同时保持接近中性的pH、较低的电导率及TOC水平。

成果总结

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