近日，制冷与低温工程研究所王如竹教授领衔的ITEWA团队与中山大学张杰鹏教授团队合作，针对太阳能驱动的空气取水技术中存在的夜间吸附与日间解吸热力学失配问题，提出了一种基于协同MOF复合材料的太阳能空气取水解决方案，实现了广气候区域内仅凭太阳能驱动的高效水生产。该项研究成果以“Synergistic MOF-based composite enabling significant solar-to-water generation enhancement in climate-resilient AWH”为题发表在Nature Communications上。制冷与低温工程研究所博士生邵昭、中山大学博士生冯茜为论文共同第一作者，王如竹教授，中山大学张杰鹏教授、周东东教授为论文通讯作者。
如何高效地从空气中获取饮用水已成为极具社会意义与战略价值的研究方向。在各类水生产技术路线中，基于吸附的空气取水技术（Sorption-based AWH，SAWH）因其能适应不同湿度环境且可由低品位太阳能直接驱动而备受关注。然而，该技术的大规模应用仍面临两大核心挑战：一是夜间高湿度吸附窗口未被充分利用；二是受限于传统吸附剂的高解吸温度要求，日间太阳能热源往往难以驱动充分的解吸过程，导致产水效率受限。尽管金属有机框架（MOFs）和吸湿性盐类各有优势，但直接应用材料往往分别存在孔容限制问题或泄漏、团聚等稳定性问题。因此，开发一种兼具高吸附容量、快速动力学且能适应低品位热源驱动的复合吸附剂，并配合高效的热设计的太阳能驱动空气取水系统，是实现广域气候适应性“随时随地”空气取水的关键。
针对现有吸附剂在吸附容量与解吸温度之间的权衡难题，研究团队首先从材料吸附机理入手，构建了主客体协同的复合吸附体系。团队筛选出兼具大孔容（1.18 cm3 g⁻1）及高循环稳定性的MOF材料Ni2Cl2(BTDD)作为基质，通过优化后的浸渍法引入高吸湿性的LiCl盐进行负载。氮气吸附与孔径分布分析显示，在优选的30 wt% LiCl溶液复合后的复合材料LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30孔径从2.20 nm减小至1.66 nm，同时配合PXRD、TOF-SIMS等不同表征手段综合证明了LiCl在MOF孔道内表面形成了均匀分布，从而有效避免了盐团聚。不同于Ni2Cl2(BTDD)材料“S型”吸附等温线，该复合材料呈现出多相的“三阶段”吸附行为：从低湿度的化学吸附，到中湿度的盐潮解，再到高湿度的溶液吸收，最终实现了相较于纯基质MOF材料，在全湿度域下吸附性能的提升。实验数据显示，该复合材料在30 °C/80%相对湿度下的吸水量高达3.46 g g⁻1，相当于基质材料Ni2Cl2(BTDD)相同湿度下吸附量的近4倍，同时在不同湿度区间内均实现了吸附量与吸附速率的提升。同时该复合材料对解吸温度要求低，60 °C下的低驱动温度即可实现近95%的解吸。高吸附容量与低解吸温度配合大幅降低了对太阳能热源强度的要求，可更好地适应多云等太阳能驱动空气取水系统中常见的不利气候条件，同时为全天候高效取水奠定了热力学基础。
图一 LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30性能表征
优异的材料性能需要匹配高效的系统设计才能转化为实际产水量。针对光热驱动AWH系统中解吸（需高温）与冷凝（需低温）的热设计需求矛盾，团队使用了一种高度集成的可扩展模块化SAWH装置。该装置采用双层绝热传质板设计，成功在紧凑的空间内实现了吸附床热域与冷凝室冷域的有效解耦与热分区。最终通过削弱吸附床与冷凝壁面间热量传递，同时实现了提升解吸温度与降低冷凝温度的双重目标。凭借装置热设计优化与高性能复合材料结合，装置展现出较好的低光照适应性，即便在400 W m⁻2的弱光照强度下（常见典型夏季正午阳光辐照强度可达1000 W m⁻2或更高），仍能实现超过500 g m⁻2的产水。同时在各辐射条件下，该装置整体产水量均较未复合LiCl的Ni2Cl2(BTDD)系统提升了25%以上，其中在1000 W m⁻2下7小时内每平米产水超1 L，产水体积密度达30.3 L m⁻3。
图二 搭载LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30的太阳能驱动空气取水装置实验室性能测试结果
为了验证技术在实际场景应用中的普适性，研究团队跨越不同气候区在上海（湿润亚热带）、济南（大陆性气候）和昆明（冬季亚热带高原）对基于Ni2Cl2(BTDD)与LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30的装置进行了广泛的户外实地对比测试。测试中未使用风机、制冷系统等冷凝辅助设备，仅凭太阳能光热驱动装置运行。实测结果表明，复合材料系统展现出对实际环境波动的极强适应力。在上海的对比测试中，得益于更低的启动温度，复合材料装置比纯MOF装置提前一小时（9:30 a.m.）就开始产出液态水。在气候较为干燥的济南，这种优势被进一步放大，复合材料系统的产水量较纯MOF系统提升了高达91%。同时在昆明的冬季实际测试中，即便光热部件驱动温度仅为60 °C，装置依然保持了高效的运行状态，证实了其在低温、低辐照等苛刻环境下的运行可靠性。此外，连续多日的循环测试及水质分析证实，该系统在运行中产水量稳定可靠且收集到的水质纯净，离子浓度符合WHO饮用标准。
图三 太阳能驱动的空气取水系统户外实验
研究提出了一种通用的吸湿盐复合与系统优化协同策略，通过将吸湿性盐引入MOF骨架内，成功构建了兼具高吸附容量与低解吸温度特性的复合吸附剂。该策略不仅解决了传统MOF材料再生温度高、能耗大的瓶颈，还通过装置层面的热管理优化，显著提升了太阳能利用效率，同时模块化的设计可以满足未来装置规模化的扩展需求。通过在不同气候区的实地验证，该技术有望在应对全球淡水短缺、特别是针对离网和干旱地区的分散式供水方面发挥作用。未来，随着对复合材料主客体相互作用机制的进一步解析，该策略有望拓展至更多种类的多孔基质与吸湿盐组合，为实现更高效、更低成本的大气水收集提供更多可能性。
研究工作得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的支持。
王如竹教授领衔的ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）交叉学科创新团队长期致力于能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题与关键技术，通过学科交叉实现材料—器件—系统的一体化解决方案，持续推动相关领域取得突破性进展。近年来，团队在Science、Nature Reviews Materials、Nature Water等期刊发表了系列跨学科研究成果。
论文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-026-68946-8
学院OA系统
jAccount登录
ENGLISH
地址：上海市东川路800号上海交通大学闵行校区机械与动力工程学院
邮编：200240
Email：sjtume@sjtu.edu.cn