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南京工业大学李海青教授《Mater.Horiz.》:金属泡沫“助力”MOF空气集水

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高分子科学前沿 2021-04-17 14:35

利用吸附材料收集大气中的水分(空气集水)为缓解全球水资源短缺问题提供了一种有效解决途径。相比较传统的空气集水材料,金属-有机框架(MOF)材料凭借其自身灵活多样的化学组成及多孔结构,在空气集水方面展现出独特的优势和实际应用潜力。然而,MOF材料因其本身所存在的导热性差问题以及成型化问题,导致其在实际应用中不但再生能耗高且产水效率低,这为MOF材料的实际规模化空气集水应用带来了严重挑战。

鉴于此,南京工业大学李海青教授课题组近日报道了将金属泡沫(MF)嵌入成型化的MOF材料中,利用MF在交变磁场下所产生的原位涡流热,实现了MOF材料高效且低能耗空气集水。该成果以“Embedding Metal Foams into Metal-Organic FrameworkMonoliths for Triggering the Adsorbed Atmospheric Water to Be Highly EfficientlyReleased by Localized Eddy Current Heating”为题,在线发表在《Materials Horizons》上。该项工作为涡流热效应在材料再生领域内的首次应用,也是在成型化MOF材料的低能耗再生方面的首次尝试。

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图1.MF@MOFs的制备、水蒸气吸附和原位涡流热引发吸附水脱附示意图

文章亮点:

1.在所设计和制备的MF@MOF复合材料中,MF作为成型化MOF材料骨架,能有效提高MOF材料的机械稳定性,从而使其更加适用于实际使用和工业操作(图2)。

图2.MF@MOFs的表征和机械稳定性测试

2. 嵌在成型化MOF材料中的MF能在外界交变磁场的作用下,作为“涡流加热体”产生原位涡流热,实现对成型化MOF材料的快速且均匀加热,从而有效克服了MOF材料本身导热性差的问题,实现了MOF材料的完全且高效再生(图3)。

图3. MF@MOF的涡流加热性能及其水蒸气吸附/脱附动力学研究

3. 使用所制备的MF@MIL-101(Cr)材料为空气集水材料,利用原位涡流引发材料再生技术,设计并搭建了一种新型空气集水模型装置,实现了2.2 LH2O kg-1MOF day-1的产水能力(图4)。

图4.空气集水装置及其实际产水性能

在该工作中,原位涡流热是通过外界磁场以“非接触”方式引发的,且均匀发生在MOF材料的内部,所以有效避免了在材料加热过程中所造成的能量损失,从而大大降低了材料的再生能耗。再加上在该工作中所使用的金属泡沫为低成本的商业化产品,该研究因此为推进MOF材料在空气集水中的实际应用提供了一种低成本、低能耗且高效率的新思路。需要指出的是,该工作所展示的材料设计思路和原位涡流热引发材料再生方法同样适用于其它吸附分离材料。

参考文献:

Yingle Tao, Qiangqiang Li,Qiannan Wu, Haiqing Li, Materials Horizons, 2021, DOI: 10.1039/D1MH00306B.

来源:高分子科学前沿

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