干旱地區(qū)，尤其是沙漠地區(qū)，由于極端氣候條件和水資源短缺，對新鮮水資源的需求迫切。傳統(tǒng)的大氣水收集（AWH）技術(shù)在低濕度條件下效率不高，因此需要開發(fā)新型材料以提高水收集效率。
日前，蘇州大學(xué)郭思宇副教授、嚴鋒教授團隊合成了一系列iCOFs，表現(xiàn)出在低濕度下高效的水蒸氣吸附能力，尤其是TB-COF-Li，其吸附容量達到了0.24 g g-1。此外，TB-COF-Li的蒸發(fā)焓顯著低于散裝水，能在60℃下快速脫附吸附的水。開發(fā)的iCOFs，特別是TB-COF-Li，為干旱地區(qū)提供了一種高效的大氣水收集技術(shù)。
COF材料制備與孔道水態(tài)調(diào)節(jié)
圖1(a) TB-COF-X和TpPa-SO3-X（X=H、Li、Na、K）的合成示意圖。(b) AWH裝置的拆卸圖（銅片：涂有黑漆的銅片，NF：泡沫鎳）。(c) AWH流程圖（低濕度吸附，在陽光照射下釋放水蒸氣，冷凝收集）。
研究者們發(fā)現(xiàn)在COFs孔道內(nèi)引入金屬陽離子可以有效的利用孔道內(nèi)磺酸基團的親水位點以及金屬離子的水合作用，共同促進水分子的吸收，研究者們在298 K下進行水蒸氣吸附測試，量化TB-COF-X和TpPa-SO3-X的集水能力。在0-5%的相對濕度下，與其他COF結(jié)構(gòu)相比，這些iCOFs對水蒸氣的吸附效果顯著。這是由于金屬離子的強烈水化相互作用，增強了COF通道內(nèi)第一層水分子的附著力。當相對濕度為21%時，TB-COF-Li表現(xiàn)出310.4 cm3 g-1的孔隙填充容量，最終達到671.3 cm3 g-1的最大容量。
圖2(a-b)TB-COF-X和TpPa-SO3-X的水蒸氣吸附曲線。(c)TB-COF-X和TpPa-SO3-X孔道中IW與FW的比率。(d)散裝水、TB-COF-X和TpPa-SO3-X的蒸發(fā)焓。(e)TB-COF-Li和TpPa-SO3-Li在22%RH下的水吸附曲線。(f)TB-COF-Li和TpPa-SO3-Li在60和80℃下的解吸曲線。
圖3(a)TB-COF-Li中不同的水態(tài)分布。(b-c)TB-COF-X和TpPa-SO3-X的ζ電位。(d)裝置的水蒸氣吸附過程。(e)裝置的水蒸氣解吸過程。
集水材料裝置實測
圖4(a)在1 kW/m2和1.5 kW/m2的陽光強度下，對集水裝置不同點的溫度進行熱電偶測試（表面：銅片的上表面；頂部：裝載有COFs的泡沫鎳的頂部）。(b)TB-COF-Li的循環(huán)穩(wěn)定性試驗。(c)實用裝置展示圖。(d)實際測試期間的溫度變化。(e)冷凝水滴隨時間的變化。(f)收集水中的金屬離子濃度。
在集水裝置完成組裝后，研究者對其性能進行了測試，結(jié)果顯示其在模擬太陽光/蘇州地區(qū)的戶外環(huán)境下均能完成良好的水蒸氣吸脫附循環(huán)，表面銅片溫度均能達到80℃以上，充分滿足了TB-COF-Li的脫附要求。研究者對裝置的水循環(huán)穩(wěn)定性進行了進一步的測試，結(jié)果表明在100組的吸脫附循環(huán)下，裝置的最大工作容量沒有發(fā)生明顯下降，對所收集的水進行電感耦合等離子體測試（ICP），結(jié)果表明，裝置所收集的水滿足世界衛(wèi)生組織（WHO）的飲用水標準，可以用作生活用水。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202420619
