来源:Advanced Functional Materials
背景概述
吸湿性金属有机框架(MOFs)由于其高度可调和理想的吸水/释水性能而被认为是优越的吸湿剂,可在干旱地区实现有效的大气集水(AWH)。然而,目前MOFs的吸附能力、循环稳定性和功能还有待进一步提高,以满足实际水处理系统的要求。
2024年11月16日,南开大学卜显和院士、曹墨源研究员团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Optimizing Hygroscopic Metal–Organic Frameworks via EDTA‐Mediated Structural Reinforcement and Photothermal Modification”的研究论文,团队成员Cheng Mingren为论文第一作者,曹墨源研究员、卜显和院士为论文共同通讯作者。
图文导读
该研究通过乙二胺四乙酸(EDTA)介导的后修饰,MOF-808在低相对湿度(RH)条件下的亲水性和循环稳定性同时得到增强。在结构强化的基础上,EDTA修饰的MOF-808(E-MOF-808)在25% RH条件下,即使经过50次水吸附-解吸循环,也能提供0.39 g g−1的稳定吸水能力,是原始MOF-808的5倍多。此外,通过EDTA的桥接,E-MOF-808具有较强的螯合能力,可以自发捕获Cu2+,进一步提高性能。因此,吸光的Cu纳米颗粒可以原位修饰在E-MOF-808上,以促进太阳能驱动的水释放。可以预见,这种EDTA介导的功能增强将为多功能MOFs吸附剂的一体化设计提供有价值的见解。
该研究报道了一种乙二胺四乙酸(EDTA)介导的改性方法,以改善MOF-808对SAWH的功能,其具有高亲水性、循环稳定性和易于后续光热改性的特点。首先,EDTA的加入为MOF-808的框架引入了丰富的亲水羧基官能团。因此,EDTA修饰的MOF-808(E-MOF-808)在25% RH和25°C条件下表现出0.39 g g−1的高吸水能力,超过了大多数基准MOFs吸附剂在相似条件下的吸水能力。理论计算进一步阐明了后修饰亲水基团对水吸附行为的影响。其次,与原始MOF-808相比,E-MOF-808具有显著增强的水吸附-解吸循环稳定性,在50次循环中具有稳定的吸收能力,确保了其在实际应用中的长期使用。第三,利用EDTA的强螯合能力,E-MOF-808可以很容易地捕获Cu2+离子,并转化为Cu纳米颗粒(NPs),从而实现其光热性能的原位增强。在一个太阳下,E-MOF-808@CuS的温度在5分钟内迅速达到75°C,显著加快了捕获水的释放。该研究强调了一种简单的后修饰方法不仅可以同时提高MOFs吸附剂的亲水性和循环稳定性,而且可以促进它们与光热物质的整合,为太阳能驱动的SAWH技术的发展提供了新见解。
示意图1.(a)MOF-808后修饰和(b)E-MOF-808@CuS的水吸附-太阳能驱动释放过程的示意图。
图1. E-MOF-808的合成与表征。(a)原始MOF-808合成E-MOF-808的过程示意图。(C,黑色球体;O,红色球体;N,天蓝色球体;H,粉色球体;Zr簇,蓝色多边形)。(b)MOF-808和E-MOF-808的PXRD谱图。(c)MOF-808和E-MOF-808的N2吸附-解吸等温线。(d)MOF-808和(e)E-MOF-808 3个循环的吸水等温线。(f)E-MOF-808的动态水蒸气吸附曲线。(g)不同RHs和25℃下的动态水吸附曲线。(h)在25%RH和25°C(298 K)条件下,E-MOF-808与其他代表性MOFs-808吸水量的比较。(i)在25% RH条件下,E-MOF-808吸附(25°C)-解吸(120°C)50次循环的循环稳定性。
图2. E-MOF-808和MOF-808的水吸附过程GCMC模拟。E-MOF-808在(a)P/P0=0.05(第1阶段)、(b)P/P0=0.2(第2阶段)和(c)P/P0=0.35(第3阶段)时的模拟水吸附示意图。(d)P/P0=0.35(第1阶段)和(e)P/P0=0.55(第2阶段)时的模拟水吸附示意图。
图3. E-MOF-808@CuS的表征。(a)E-MOF-808@CuS结构示意图。(b)E-MOF-808@CuS的SEM和(c)TEM图像。(d)STEM及相应的元素映射图像。E-MOF-808@CuS的XPS光谱:(e)Cu 2p和(f)S 2p。(g)Cu NPs修饰前后E-MOF-808的紫外-可见-近红外吸收光谱。(h)1.0太阳照度下E-MOF-808和E-MOF-808@CuS温度变化曲线。(i)25 ℃下动态水蒸气吸附,随后在E-MOF-808@CuS 65℃下解吸。
图4. E-MOF-808@CuS的太阳能驱动集水性能。(a)E-MOF-808@CuS在实验室中动态水蒸气吸收和随后的太阳能驱动解吸。(b)室外集水装置示意图。(c)室外装置照片。比例尺,2厘米。插图:水滴形成前后Al收集器的局部照片。(d)相应的环境温度随时间的变化,以及样品附近的温度和相对湿度随时间的变化。
总之,通过对MOF-808进行简单而通用的后修饰,得到了一种同时具有低相对湿度下高亲水性、循环稳定性和光热修饰性的改进型吸水性。与原始MOF-808相比,EDTA修饰的E-MOF-808由于EDTA与水分子之间的高亲和力,表现出较低的吸水拐点相对湿度。在25%RH和25℃条件下,E-MOF-808的水吸附量高达0.39 gg−1。通过理论计算进一步模拟了强化吸附过程。此外,EDTA优化的孔隙结构显著提高了E-MOF-808的循环稳定性,在25% RH下循环50次后容量几乎没有衰减。除了出色的水吸附性能外,E-MOF-808还展示了捕获金属离子的能力,使具有光热性质的Cu NPs能够在原位结合,从而实现高效的太阳能驱动水释放。研究结果表明,该研究为开发高性能MOFs吸水性材料及其多功能集成提供了一条新途径。
文章信息
期刊:Advanced Functional Materials
题目:Optimizing Hygroscopic Metal–Organic Frameworks via EDTA‐Mediated Structural Reinforcement and Photothermal Modification
作者:Mingren Cheng, Xin Lian, Haoyu Bai, Xinsheng Wang, jian Xu, Moyuan Cao , Xian-He Bu
接受日期:16 November 2024
原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202416241