大氣水收集是解決干旱地區(qū)淡水短缺的重要技術(shù)，吸附劑是核心，金屬有機(jī)框架材料因結(jié)構(gòu)可設(shè)計成為研究熱點(diǎn)，但傳統(tǒng)改性策略常導(dǎo)致吸附容量、吸附速率、解吸溫度、循環(huán)穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo)相互制約，難以實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化，如何通過本征結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)實(shí)現(xiàn)干旱低濕度下高效集水，成為大氣水收集領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。

北京理工大學(xué)王博、王乾有與馬青朗等人設(shè)計并合成具有柔性吡唑單元與乙酸根穩(wěn)定化的Zr-MOF 材料，發(fā)現(xiàn)水誘導(dǎo)吡唑環(huán)旋轉(zhuǎn)與孔道膨脹的雙重動態(tài)適配機(jī)制，實(shí)現(xiàn)大氣水收集吸附容量、速率、解吸溫度、循環(huán)穩(wěn)定性等核心指標(biāo)全優(yōu)化，系統(tǒng)闡明結(jié)構(gòu)響應(yīng)與集水性能構(gòu)效關(guān)系，為高效節(jié)能大氣集水吸附劑的開發(fā)提供了全新設(shè)計思路。相關(guān)成果發(fā)表于國際頂級期刊《Journal of the American Chemical Society》( IF 15.7 )。

研究團(tuán)隊設(shè)計合成兩種同構(gòu)柔性鋯基金屬有機(jī)框架 fb-Zr-MOF-1 與 fb-Zr-MOF-2，由八連接 Zr?簇與四齒吡唑羧酸配體構(gòu)筑，具有 scu 拓?fù)渑c一維直孔道，fb-Zr-MOF-1 中 Zr?節(jié)點(diǎn)與乙酸根配位，fb-Zr-MOF-2 則結(jié)合水分子，二者粉末 X 射線衍射與模擬圖譜一致，氮?dú)馕摳阶C實(shí)為典型微孔材料，比表面積分別為 1068 m2 g?1 與 975 m2 g?1，孔徑分別為 6.3 ? 與 6.2 ?（圖 2）。fb-Zr-MOF-1 因乙酸根保護(hù)展現(xiàn)優(yōu)異水穩(wěn)定性，沸水浸泡 60 天結(jié)構(gòu)不變，fb-Zr-MOF-2 僅 1 天即結(jié)構(gòu)坍塌。

水蒸氣吸附測試顯示 fb-Zr-MOF-1 在 298 K 下呈現(xiàn)理想 S 型等溫線，拐點(diǎn)低至 P/P?=0.23，在 P/P?=0.3 時吸附量達(dá) 0.41 g g?1，遠(yuǎn)超多數(shù)先進(jìn) MOF 材料，吸附解吸無滯后，等量吸附熱為 49.6 kJ mol?1，適中結(jié)合力利于溫和解吸（圖 3a、3b）。動態(tài)吸附測試表明 298 K、30% 相對濕度下吸附速率為 3.6 mg g?1 min?1，333 K 下解吸速率達(dá) 11.5 mg g?1 min?1，25 分鐘可釋放 90% 吸附水，318 K 下解吸率仍超 86%，能耗顯著降低（圖 3c-e）。材料可穩(wěn)定循環(huán) 100 次，吸附容量保持率超 98%，晶體結(jié)構(gòu)與比表面積無明顯衰減，綜合五項關(guān)鍵指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)于現(xiàn)有主流 MOF 集水劑，理論日產(chǎn)水量達(dá) 4.03 g g?1（圖 3f-i）。

水誘導(dǎo)動態(tài)結(jié)構(gòu)表征揭示雙重響應(yīng)機(jī)制，變濕度傅里葉變換紅外光譜顯示低濕度下吡唑環(huán)旋轉(zhuǎn)促進(jìn)氮位點(diǎn)與 Zr?節(jié)點(diǎn)協(xié)同吸附水，高濕度下骨架擴(kuò)張?zhí)嵘兹荩▓D 4a-c）。固態(tài)核磁表征證實(shí)低濕度下吡唑環(huán)發(fā)生轉(zhuǎn)動，高濕度下孔道膨脹，粉末 X 射線衍射精修確認(rèn)吸水后晶胞體積從 5540.87 ?3 增至 5743.98 ?3，結(jié)構(gòu)變化完全可逆（圖 4d-f、4h、4i）。

模擬計算闡明分步吸附機(jī)理，巨正則蒙特卡洛模擬顯示水優(yōu)先吸附于 Zr?節(jié)點(diǎn)的 μ-OH 位點(diǎn)，密度泛函理論計算證實(shí)吸附能適中，從頭算分子動力學(xué)表明濕度提升后水與吡唑環(huán)氮原子形成氫鍵并誘導(dǎo)環(huán)旋轉(zhuǎn)，促進(jìn)水團(tuán)簇生成，高濕度下孔道沿 a、b 軸擴(kuò)張容納更多水分子，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合（圖 5）。原理樣機(jī)測試驗(yàn)證實(shí)際應(yīng)用潛力，fb-Zr-MOF-1 在 30% 相對濕度下日產(chǎn)水量較 MOF-303 提升 33%。

該研究成功開發(fā)具有水誘導(dǎo)雙重動態(tài)響應(yīng)的柔性Zr-MOF，低濕度下吡唑環(huán)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)快速吸附，高濕度下孔道擴(kuò)張?zhí)嵘萘?，乙酸根配位保障高穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)大氣水收集全部關(guān)鍵性能指標(biāo)協(xié)同最優(yōu)，在 30% 濕度下兼具高容量、快速動力學(xué)、低溫解吸與長循環(huán)壽命，為干旱環(huán)境高效節(jié)能集水提供全新材料設(shè)計原理與結(jié)構(gòu)調(diào)控策略

文獻(xiàn)參考：

Water-Induced Dynamic Structural Adaptivity of Zr-MOF for Holistic Metrics Optimization in Atmospheric Water Harvesting. J. Am. Chem. Soc. 2026. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c02948

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