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MOFs大牛Yaghi最新Science:自然阳光驱动下空气中水的捕获

— 前言 —

 2017-4-13,Science官网上贴出了Yaghi课题组最新研究成果,论文标题为:Water harvesting from air with metal-organic frameworks powered by natural sunlight,DOI:

10.1126/science.aam8743.这里简单地对论文进行一些基本介绍。

MOFs大牛Yaghi最新Science:自然阳光驱动下空气中水的捕获


— 图文快解 

    全球2/3左右的人都受到水资源短缺的影响。而大气中的水蒸气以及水滴含水总量高达13,000 万亿升,它大概等于地球上所有湖泊淡水总量的10%,如果能够利用起来将可以缓解人们淡水资源的危机。然而,如何在低能耗下有效地从大气中捕获这些水(特别是在低湿度<20%情况下)仍然是个技术难题。本文,Yaghi课题组介绍了MOF-801 [Zr6O4(OH)4(fumarate)6] 的设计及其作为器件捕获大气中水分子的应用。值得强调的是,这种器件利用的是低能量密度的自然阳光作为能量来源(1 kW每平方米),在相对湿度低至20%时,每千克这种MOFs材料每天能够捕获2.8 L水。


 技术核心:MOFs上水的脱附。To harvest water using MOFs with maximum yield and
minimal energy consumption, an isotherm with a steep increase in water uptake within a narrow range of RH is desired, which enables maximum regeneration with minimal temperature rise.

MOF-801的优点:1) 分子水平上,水吸附行为已经理解得比较透彻;2)MOF孔道能够很好地将水分子凝聚成cluster; 3) 优异的稳定性和循环使用性;4)便宜,可推广性强。


更多精彩内容,请大家点击原文进行阅读,下面来看看论文中的图:

MOFs大牛Yaghi最新Science:自然阳光驱动下空气中水的捕获

图 1  MOFs从空气中捕获水的原理. (A) 不同材料上水的吸附等温线. (B) MOF-801在25°C和60°C下水的吸附等温线 (C) MOFs捕获水的系统示意图 (D) MOF-801结构单元示意图 Zr6O4(OH)4(-CO2)12 Color code: black, C;red, O; blue polyhedra, Zr.


MOFs大牛Yaghi最新Science:自然阳光驱动下空气中水的捕获

图2. MOFs上一个吸附脱附循环所捕获的水的实验表征。(A) MOF-801层和冷凝器示意图(B) 等压条件下,水蒸气吸附脱附实验示意图 (C) 水捕获循环中MOFs层温度和腔体蒸汽压随时间的变化曲线. (D) 利用脱附曲线计算水捕获速率以及累积捕获的水量


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图3. 一个太阳光通量下,MOF-801在常压下的吸附脱附动力学 Predicted adsorption-desorption dynamics with a packing porosity (ε) of 0.7, solar flux of 1 kW m–2, and various thicknesses (1 to 5 mm). MOF-801 was initially equilibrated at 20% RH at 25°C and the partial vapor pressure rapidly increased to 100% RH at 25°C during desorption for vapor condensation. After desorption, the surrounding air-vapor mixture reverted to 20% RH. The duration of solar exposure for thicknesses of 1, 3, and 5 mm were 1, 2.3, and 4.2 hours, respectively. Note that only the duration of solar exposure for the 5-mm thick sample (red dotted line) is plotted for simplicity. The 1 mm, 3 mm, and 5 mm layers can harvest 0.08, 0.24,and 0.4 L m–2 of water per complete water harvesting cycle,respectively. More than 90% of the initially adsorbed water could be harvested under these conditions. Inset shows a predicted temperature profile of the 5 mm thick layer during the adsorption-desorption processes.


MOFs大牛Yaghi最新Science:自然阳光驱动下空气中水的捕获

图 4 概念型MOFs水捕获器件模型(A) 模型示意图 (B) 不同温度,不同时间下水滴的形成与生长. (C)一天中不同时间下(2016年9月14日),MOF-801层(experimental, red line; predicted, red dash),空气(grey line),冷凝器(blue line),常压露点(green line)和太阳光通量的温度曲线。


作者介绍 


 Omar M. Yaghi,金属有机骨架材料、有机共价骨架材料的开拓者和奠基人。1990年博士毕业于伊利诺伊州大学香槟分校,1990-1992年哈佛大学博士后研究,1992-1998任职于亚利桑那州立大学,1999-2006任职于密歇根大学,2007-2012任职于加州大学洛杉矶分校,2012至今加州大学伯克利分校。


主要学术贡献:他和他的研究团队设计并制备了金属有机骨架(MOFs),沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIFs),共价有机骨架(COFs)等材料,并成功的把这些材料从基础科学领域带入应用领域包括清洁能源(氢气,甲烷)储存、二氧化碳吸附和储存,掀起了金属有机骨架的研究热潮,是当今世界被论文引用最多的科学家之一。

课题组链接:http://yaghi.berkeley.edu/


代表性论文:Nature 2015, 527,503–507; Science, 2013, 341(6149): 1230444;Science, 2013, 341(6148): 882-885; Science, 2010, 329(5990): 424-428; Science, 2010, 327(5967): 846-850; Science, 2009, 325(5942): 855-859; Nature, 2008, 453(7192): 207-211; Science, 2008, 319(5865): 939-943; Science, 2007, 316(5822): 268-272; Science, 2005, 310(5751): 1166-1170; Science, 2005, 309(5739): 1350-1354; Nature, 2004, 427(6974): 523-527; Nature, 2003, 423(6941): 705-714; Science, 2003, 300(5622): 1127-1129; Science, 2002, 295(5554): 469-472; Science, 2001, 291(5506): 1021-1023; Nature, 1999, 402(6759): 276-279; Science, 1999, 283(5405): 1145-1147.


Yaghi的华人弟子也不少,代表性的如:北京理工大学王博教授,武汉大学邓鹤翔教授, 浙江大学孔学谦教授,复旦大学李巧伟教授,吉林大学方千荣教授,上海科技大学章跃标教授,美国德州大学圣安东尼奥分校陈邦林教授等。


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