Angew. Chem. :具有快速动力学和低可再生温度的共价有机框架用于空气集水

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预计到2050年,世界上一半以上的人口将面临水资源短缺的压力。受益于无处不在的水蒸气,吸附式空气集水可利用吸附剂内部结构自发捕获大气中的水分子,展现出了在低湿度地区集水的巨大潜力。目前,许多先进的吸附剂已被合理设计以实现高吸水率,然而其吸水动力学和再生温度大大限制了产水的效率。


近日,北京理工大学的冯霄教授团队开发了一种具有一维贯穿孔道、适当密度的亲水位点以及疏水骨架的二维共价有机框架(COF)吸附剂,用于快速、高效吸附空气中的水分子,并实现了低温驱动下的水分子快速脱附和循环再生。



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通过精准调控COFs的孔道化学环境,作者等人探究了功能化的种类和密度对吸水动力学的影响。所制备的DHTA-Pa COF在298 K和30% R.H.条件下,可在40分钟内达到0.48g/g的吸水量,并在333 K下,实现了高达2.58 L/Kg/h的脱附速率,展现出远优于其他多孔吸附剂和商业沸石材料的超快吸脱附动力学性能。蒙特卡洛模拟和密度泛函理进一步验证了二维COF孔壁上排列的亲水/疏水功能化的位点以及一维贯穿通道可以显著缩短水分子的扩散路径,大大降低水的渗透和扩散的能垒,促进水分子的快速吸脱附。

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此外,DHTA-Pa COF还展现了出色的低温脱附性能。在313 K下,90%吸附的水分子可在20分钟内快速脱附,脱附速率高达1.29 L/Kg/h,且具有良好的循环稳定性,这是其他先进的空气取水吸附剂材料所难以达到的。这种独特的水分子吸脱附行为归因于COF孔道中大量积累的自由水和水分子较低的扩散能垒。此外,器件化的性能探究也验证了该材料良好的水捕集能力。

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综上所述,该工作通过调整骨架与水分子的主客体相互作用,优化了吸附剂的动力学性能和可再生温度,为提高空气集水的循环效率、降低集水过程中的能源消耗提供了吸附剂设计策略。 

文信息

2D Covalent Organic Framework for Water Harvesting with Fast Kinetics and Low Regeneration Temperature

Chao Sun, Yuhao Zhu, Pengpeng Shao, Liwei Chen, Xin Huang, Shuang Zhao, Dou Ma, Xuechun Jing, Bo Wang, and Xiao Feng*


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202217103




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