首页 > 行业资讯 > 【材料】北理工冯霄团队Angew：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

【材料】北理工冯霄团队Angew：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

时间：2023-02-14 来源： 浏览：

【材料】北理工冯霄团队Angew：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

X-MOL资讯
X-MOL资讯

X-molNews

“X-MOL资讯”关注化学、材料和生命科学领域的科研，坚持“原创、专业、深度、生动”。公众号菜单还提供“期刊浏览”等强大功能，覆盖各领域上万种期刊的最新论文，支持个性化浏览。

收录于合集

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。大气集水是缓解用水压力的一种很有前途的技术。目前，许多先进的吸附剂已被开发出来以实现高吸水率，然而其吸水动力学和可再生温度大大限制了产水的效率。快速的吸附/解吸动力学可以减少吸附剂对自身吸附容量的依赖，使材料在短时间内捕获足量的水。较低的可再生温度有利于在解吸过程中节省更多的能量，并减少吸附剂进入下一个集水周期的冷却时间，有利于提高集水的效率。此外，它还可以促进太阳光、废热地热等低基础设施的能源，促进低品位热能的开发和再利用。
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。

图1. 用于快速捕集/释放水和低温再生的DHTA-Pa COF的示意图。
DHTA-Pa COF在298 K、30% R.H.条件下显示出0.48 g/g的吸水率，且吸附速率高达0.72 L/Kg/h。将温度进一步提高至333 K，吸附在COF骨架中的水分子可以快速被释放，其解吸速率高达2.58 L/Kg/h，这一动力学性能远超过了已报道的多孔材料。尽管先进的集水吸附剂材料的水吸附拐点有所差异，但比较它们的吸脱附动力学有助于提供构效关系信息。此外，通过计算扩散系数（D）排除粒径大小的影响，发现DHTA-Pa COF在298 K下的吸附及和333 K下的解吸扩散系数分别为5.85× 10 -3 和36.78× 10 -3  µ m 2 /min，均高于其它多孔吸附剂和商业沸石材料。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。

图2. (a) 吸附剂在298 K、30% R.H.条件下的动态水吸附和333K解吸性能。(b) 与先进多孔吸附剂的表观水分子解吸速率的比较。(c-d) 298 K下的水分子吸附和在333 K下解吸的实验扩散系数。(e) 模拟的一个水分子通过DHTA-Pa COF和MOF-801孔道的脱附路径和 (f) 对应的水分子脱附能垒。
在313 K温度下，90%以上的吸附在DHTA-Pa COF孔道中的水分子可以在20分钟内释放，且经过80次循环后，依旧可以保其吸水容量和动力学，展现出良好的循环稳定性。分子动力学模拟也进一步验证了该材料在低温下的扩散能力，这是其它空气取水吸附剂材料所难以达到的。此外，器件化性能的初步探究也验证了该材料良好的水捕集能力。

图3. (a) 吸附剂在298 K、30% R.H.条件下的吸附和313K解吸的动态性能。(b) 计算了DHTA-Pa COF和MOF-801在298 K（吸附）和313 K（脱附）的理论扩散系数。(c) DHTA-Pa COF在298 K吸附和313 K解吸的循环稳定性。(d) 先进集水吸附剂的解吸温度和解吸速率的比较。(e) 倾斜壁上带有冷凝水滴的集水装置的示意图和照片。(f) DHTA-Pa COF在在不同相对湿度下的298 K吸水量和的313 K的释放量。
总之，该工作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可借鉴的吸附剂设计策略。 
这一成果近期发表在 Angew. Chem. Int. Ed. 上，文章的第一作者是北京理工大学的博士研究生 孙超 ，通讯作者为 冯霄 教授。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
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*
Angew. Chem. Int. Ed. ,  2023 , DOI: 10.1002/anie.202217103
通讯作者简介

冯霄教授分别于2008年和2013年于北京理工大学材料学院取得本科与博士学位，攻读博士期间以联合培养博士研究生身份留学于日本国家自然科学研究机构—分子科学研究所。2013年7月就职于北京理工大学化学与化工学院。主要从事基于共价有机框架等晶态多孔材料的分离与传质研究。以通讯作者发表包括1篇 Science 、1篇 Nat. Mater.、 6篇 J. Am. Chem. Soc. 、10篇 Angew. Chem. Int. Ed. 、1篇 Nat. Commun. 等四十余篇论文。获中国化学会菁青化学新锐奖等奖项，主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、面上项目等，担任《中国科学：化学》、 Chin. Chem. Lett. 等青年编委。
https://www.x-mol.com/groups/wang_bo/people/32867

点击“ 阅读原文 ”，查看  化学 • 材料  领域 所有收录期刊

版权：如无特殊注明，文章转载自网络，侵权请联系cnmhg168#163.com删除！文件均为网友上传，仅供研究和学习使用，务必24小时内删除。
相关推荐
热门信息