MIT、UC Berkeley合力打造：从沙漠空气取水的太阳能“饮水机”
据统计，世界上约有五十万人全年面临水资源极度匮乏的问题，约四十亿人生活在每年至少一个月严重缺水的环境中。以下这张图片较为直观地反映了全球淡水的供给情况，淡水资源稀缺正逐渐成为人类社会可持续发展的威胁之一。严格控制地下水、淡水流域的耗水量，提高用水效率是缓解缺水问题的关键。与此同时，寻求其他途径获取可利用的淡水也成为人们关注的焦点。
地球缺水分布情况。图片来源：Science Advances
大气层中含有大量的水汽，约占地球淡水资源的10%，如果可以实现从空气中汲取水分并加以收集，无疑能够有效地缓解淡水的短缺。然而这一过程通常需要在较高的空气湿度下完成，并伴随着大量能耗，这在成本上是得不偿失的。理想的汲水系统应该在尽可能低的能量损耗以及较低的空气湿度时仍旧可以完成水汽吸收与释放过程，并利用太阳能、风能等自然资源作为供能基础，这些特点对于应对那些日照时间长、气候干燥地区的缺水状况具有重要的实际意义。
最近，美国麻省理工学院（MIT）Evelyn Wang教授和加州大学伯克利分校（UC Berkeley）Omar Yaghi教授等人将一种多孔的金属-有机骨架（MOF-801，Zr6O4(OH)4(fumarate)6）负载于薄层铜板上，并置于太阳能吸收单元与冷凝板之间，所得的装置仅仅依靠太阳能就可从空气中取水。在空气湿度很低时，这种神奇的太阳能“饮水机”仍能正常工作，实验证明，在自然阳光下毎公斤MOF-801每天能从湿度为20%的空气中汲取约2.8升水，无须提供额外的能量。这一研究成果发表于Science上。
太阳能“饮水机”及其工作原理。图片来源：MIT / Science
20多年前，Yaghi设计了第一个形成连续三维网络结构的多孔晶体，将其命名为“金属-有机骨架（MOF）”，目前人们已经合成了超过20,000种MOFs应用于气体分离与储存、空气除湿以及催化反应中，但将这一材料用以解决储水问题才刚刚起步。以往的研究中MOF水分摄入量较低，无法满足作为水分收集材料的要求。如何在分子水平上对其结构及空隙率等因素进行改进，是提高金属-有机骨架结构汲水能力的关键。2014年，Yaghi和他的团队合成了一种MOF，经初步尝试即使在湿度较低的条件下也能吸收水分，于是他联系了MIT的机械工程师Evelyn Wang，两人联合对其做进一步改进，得到了新的锆金属中心的MOF，命名为MOF-801，这种金属-有机骨架结构以富马酸盐作为桥连将Zr6O4(OH)4金属簇连接起来形成三维网络多孔框架，该结构中包含三个对称独立的空腔用以捕获水分子。
MOF-801次级结构，黄、橙、绿色代表三个不同的空腔。黑色：碳；红色：氧；蓝色：锆聚集簇。图片来源：Science
他们首先设计了在20%的空气湿度下进行MOF-801的水蒸气吸附-脱附实验，将MOF-801晶体粉末在150 ℃真空条件下加热24小时进行活化，随后将其掺杂到多孔铜泡沫材料中，并钎焊在薄层铜板基底上形成吸附层。该实验在与连接有阳光模拟器与湿度控制系统的环境中进行，他们将蒸气源引入该环境中，水蒸气通过扩散吸附在MOF-801材料表面，吸附饱和后撤除蒸气源，并接入太阳能模拟装置，此时该材料中析出水分，通过冷凝装置加以收集。他们对环境温度、蒸气压力、MOF-801材料的孔隙率及厚度等参数进行优化，最终实现了以一个太阳能通量的能量下连续24小时进行水分收集，毎公斤MOF-801材料可以产生约2.8升水。
MOF-801的水蒸气吸附-脱附实验。图片来源：Science
他们还将这一概念模型置于室外实地考察，将1.34 g的MOF-801晶体粉末掺杂在孔隙度为约0.85的多孔铜泡沫材料中，形成5 cm × 5 cm × 0.31 cm的吸附层，并使用聚丙烯酸材料封套。该吸附层放置在太阳能吸收装置与冷凝板之间于MIT的屋顶进行测试。夜间，他们将该测试装置打开，空气中的水蒸气扩散到吸附层。到了白天，他们将测试装置关闭，阳光通过装置顶部的窗户进入，光能转化为热能后加热MOF-801材料，释放出水分后作冷凝收集，这一测试装置具有十分理想的汲水效果。
水吸附实地考察装置。图片来源：Science
——总结——
Yaghi和Wang等人设计的MOF-801具有以下优点：一、这一结构是在分子水平下充分研究水的吸附行为后加以改性的，因而具有十分重要的借鉴意义；二、结构经优化，MOF空腔捕获水分子的性能比以往得到了很大的提升；三、该结构制备的材料稳定性好且可以回收利用。西北大学的Mercouri Kanatzidis评价道，从沙漠的空气中汲取水分是一个长远的梦想，MOF-801材料的设计具有十分重要的突破，然而距离实际生产应用还需进一步改进。锆每公斤的价格为150美元，这一昂贵的成本迫使该材料暂无法投入使用。对此Yaghi教授表示，他们已经发现一种材料，可以使用铝作为金属中心代替锆制备MOFs，目前正在测试中，研制成功后将大大降低其成本，不仅有望解决干旱地区的用水问题，甚至可以实现在沙漠中汲取水分。
