作者介绍

• 通讯作者：何向明

清华大学核能与新能源技术研究院，新型能源与材料化学研究室主任，研究员/博士生导师，锂离子电池课题组学术带头人。1982年考入清华大学化学化工系，毕业后留校工作。30年来一直从事锂离子电池及材料研究。研究工作聚焦材料化学与化工，开展了EUV光刻胶、聚合物化学、MOFs/COFs多孔材料、储氢材料、计算化学等研究。荣获2024年年度“全球高被引科学家”。

• 通讯作者：徐宏

清华大学副教授，博士生导师。主要从事有机、无机纳米材料的设计和可控合成，极紫外光刻材料制备和光刻工艺开发、量子化学计算等方面的工作。目前已在 Nature Chemistry、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie 等期刊发表论文90余篇，引用8000余次。

• 第一作者：胡杨

武汉大学博士，清华大学博士后。主要从事小分子光催化、电催化、能源转化、能源存储的研究及光刻胶产业化应用。

文章导读

全球近三分之二的人口面临缺水，气候变化无常、持续性干旱使得缺水问题越发严重。将空气冷却至露点可分离出水，即大气取水 (Atmospheric Water Harvesting, AWH)，此方法可大幅缓解干旱地区淡水分布不均和缺水带来的挑战。然而干旱地区湿度低，传统大气取水，捕获水分子困难，能耗大 (2.78~27.8 kW/kg-水)，难以实际使用。

多孔材料可捕获水，提高局部空气湿度，利用多孔材料辅助增强大气取水可解决干旱地区捕获水难，取水能耗高的难题。当前结构、功能可设计的MOFs型多孔材料正促使辅助增强型大气取水迅猛发展。

清华大学何向明教授团队，近期在 Materials 期刊上发表了题为“Metal–Organic Framework-Assisted Atmospheric Water Harvesting Enables Cheap Clean Water Available in an Arid Climate: A Perspective” 的展望型文章，文章简要回顾增强型大气取水技术进展，之后探究适配的MOFs材料的属性，并阐明MOFs增强型大气取水有望成为最具成本优势及最高效的淡水供给系统 (~＄0.007/kg-水)，最后对MOFs增强大气取水未来发展方向及应用场景做以描述。

研究内容

如图1 (A) 所示，作者首先对比了传统AWH和吸水材料辅助增强型AWH的取水流程。之后，阐明辅助增强型吸水材料的四个关键指标：

(1) 在低湿度下可吸附水；

(2) 且吸水量大；

(3) 低温加热可释放水；

(4) 吸脱附水循环次数稳定且高效。

图1 (B) 展示了整个吸脱水流程图。图1 (C) 归纳总结了近30年吸水MOF材料的发展史，在此过程中，吸水量攀升，材料吸脱附水循环越发稳定。目前MOF材料已具备在20%湿度下吸水，且可经上百次吸脱附循环。在过去的七年里，材料研发与工程校对协同发展，共同推动了MOFs辅助大气集水 (AWH) 能耗降低，取水量上升。如图1 (E) 所示，目前取水能耗约为5 kW/kg-水，日均取水量约为4 L/kg-MOF。

图1. MOFs辅助AWH示意图、发展历程和吸水特性。(A、B) 传统冷凝AWH和MOF辅助AWH的空气取水流程示意图。(C) 吸水MOF的发展历史。黑色表示水稳定性差；棕色表示在20—60%湿度下吸水；黄色表示该材料可以吸附湿度低于20%的水。(D) 不同多孔材料在25 °C下的等温吸水性能。(E) 在短短几年内，吸附剂辅助的AWH装置已经从克级技术验证装置、单一取水装置发展成为多循环稳定取水装置，取水能耗大幅已降至5 kW/kg-水，日均产水量已提升至4 L/kg-MOF材料。

取水材料难在，既要满足“在低湿度下强烈吸附水分子”，又要满足“在较低温度下释放水”，然而两者本身就是一对矛盾体。可设计的多孔金属-有机框架 (MOF) 利用“一体多孔，孔孔分工不同”来化解此矛盾，例如在MOF-801中既有孔径为3.4 Å的小孔，又有孔径为6.0 Å的大孔。小孔 (直径近3.4 Å) 与单个水分子 (直径2.8 Å) 表现出强烈的相互作用，能够在低相对湿度下捕获水。当水分子聚集成簇时，较大的孔 (直径近6.0 Å) 则可为水提供存储空间。在这个阶段，大孔隙与水团簇之间的相互作用减弱，故略微加热即可将水分子释放。值得注意的是，在单一MOFs材料中，水分子从小孔吸收到大孔储存是无缝衔接的。MOFs材料中的多功能孔，其功能会随时间和空间改变，这是传统单孔材料不具备的。

图2以MOF-303和MOF-801为例，详细阐明水吸附过程，具体详见论文原文。

图2. 多孔MOF-303和MOF-801的吸水机理。

如图3所示，作者指出MOF辅助的AWH提供了一种经济高效的方法来获得清洁的水，即使在沙漠环境中也是如此。目前，科学家和工程师优化的MOF辅助AWH，可以3.5 L水每天每kgMOF的速度生产水，超过了普通人的日常用水需求。在30 °C的温度和30%的相对湿度下，该过程能耗为1.67~5.25 kWh/kg-水。考虑到每kWh 0.07美元的电价，该系统生产的水的成本为0.12~0.37美元/kg-水。即使考虑到碳税，例如目前英国每kg二氧化碳0.1美元的税率，收集大气水的成本 (每kg水0.28~0.89美元) 仍低于瓶装水的全球平均水平 (每kg水0.7美元)。

图3. 大气取水价格与电的来源以及碳税有关。横轴表示不同的取水能耗。图中的四种背景颜色表示不同来源的电价，从0.07美元/kWh到0.01美元/kWh不等。淡绿色柱表示相应的取水价格，蓝色表示考虑碳税后的取水价格。

如图4所示，作者指出通过将MOF辅助的AWH技术与储能解决方案相结合，可以构建一个分散的水电供应系统。一般来说，缺水地区太阳能和风能富裕。此分布式综合水电设施可以发挥以下作用：

(1) 太阳能电池和风力发电机将太阳能和风能转化为电能，间歇性电能存储于锂离子电池等电堆中；

(2) 辅助增强型AWH系统从大气中捕获水；

(3) 利用储存的电能将MOFs中水释放，收集冷凝水。

图4. 由辅助增强型AWH与储能系统协同构建的分布式水电一体供应中心。太阳能和风能提供能源，该能源储存于电池中，MOF辅助AWH用于取水，两者匹配运行构建成一个分布式水电一体供给中心。

从本质上讲，整个系统是一个自给自足的可分布式水电一体供应商。这些系统不仅可以提升干旱地区居民的生活质量，还可作为应急基础设施，应对气候变化带来的干旱，从而增强人类对风险的抵御能力。

研究总结

MOF辅助型大气水收集 (AWH) 技术有助于从低湿度空气中提取水，能耗低、产水洁净、平价。在学术研究、产业进步和政府资助的协同作用下，MOF辅助的AWH定将取得实质性进展，特别是与储能系统相结合成为水电一体化设施，该方案有望成为城市新型供水系统，在维持农业生产力，支持绿色工业，保持生态平衡上发挥重大贡献。

原文出自 Materials 期刊：https://www.mdpi.com/3135664

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

2023 Impact Factor：3.1 (JCR Q1*, Q2**)

2023 CiteScore：5.8

Time to First Decision：13.9 Days

Acceptance to Publication：2.7 Days

*JCR Q1 - "Metallurgy and Metallurgical Engineering";

**JCR Q2 - "Materials Science, Multidisciplinary"

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