北京航空航天大学郑咏梅教授团队设计了一种新型的空气集水材料，该材料仅将巯基化的壳聚糖和MOF-303晶体复合，克服了传统吸湿材料中吸湿盐泄漏的缺点，能够在极低湿度下快速收集水分。
MOFs由于其高孔隙率、可调谐结构和高效的集水能力，已成功用于空气集水。通常，水的生产率取决于水在孔隙中的输送速度。水分子从MOFs的表面被吸附，然后被极性单元吸引到空腔中。MOF-303在低湿度下具有优异的集水能力。壳聚糖作为一种具有独特阳离子多糖的聚合物，由于良好的生物相容性、生物降解性、抗菌性能、通过络合和吸附污染物进行水处理，以及AWH的巨大潜力，已被开发用于水相关应用，丰富的官能团存在于壳聚糖链上，可形成多孔结构。壳聚糖骨架与MOFs结合也通过静电相互作用和氢键赋予复合材料多功能性，大多数基于MOFs的AWH材料在相对高的湿度（如30%-90%）下表现出吸水性，在高温强光照射下（如50℃-80℃）释放水分，同时效率较低。到目前为止，尽管已经报道了许多关于大气水分收集的研究，但开发一种在极低相对湿度（如RH30%）下具有超高吸收-释放效率的稳定大气水分收集器仍存在困难。
作者首先从具有D-葡萄糖异构体和N-乙酰葡糖胺链的壳聚糖开始合成巯基化壳聚糖（TC）。通过酰胺反应将MCA接枝到壳聚糖链上。然后通过共混掺杂的模式制备MTC集水材料。制备得到的MTC可以在低湿度下高效吸水，在40 ℃的低热下快速释放和收集水，这主要归因于MOF-303和TC的协同作用。
图2 MTC的微观结构和表征。（a）MTC的高分辨率显微照片。其结构包括珠粒和节点，形成孔径为几微米的多孔和交联的网络结构。（b）用于微观分析的FEM。（c）MTC内的TEM观察和元素图谱。该分析表明了N（绿色散射）、Al（灰色散射）和S（橙色散射）元素的分布。（d）MTC在4000-400cm-1范围内的红外光谱（e）MTC的XRD分析可以解释其半结晶性质，（f）MTC的XPS分析证明MOF-303的均匀分布。
作者进一步对MTC的吸收和释放性能进行测试。和纯的MOF-303相比，MTC在低湿度下（~20%）保持较高的吸水性能，MTC的吸水效果也优于所报道的工作。
进一步对其吸水性能进行评估，MTC的吸水能力显著优于纯的MOF-303，在低湿度下（~30%），MTC吸水能力达到0.42g/g；水的释放和收集效率在前30min最高，三个半小时后分别达到0.0195g/g/min和0.0168g/g/min的平衡点。与一些报道的结果进行比较，在低温条件下，MTC在短时间内具有极大的释放优势。
在12.5 RH%的极端环境条件下，MTC的吸水能力（~0.135g/g）显著高于MOF-303（0.11g/g）。在8.5RH%下，MTC的水释放能力（~0.36g/g）优于MOF-303的（~0.20 g/g）；通过DFT计算模拟得到，蓝色、绿色和红色分别表示存在显著的吸引力（反映不同类型的相互作用）、吸引力较小的范德华相互作用（以分散为主的物理吸附）和强排斥效应。
最后MTC从水分子吸收到水释放再到水收集的过程图说明。i） MTC的吸水过程。ii）许多活性位点暴露在MTC中。TC和MOF-303共同形成MTC，使TC上的巯基和氨基与水分子结合。MOF-303的氧气也可以吸收水。iii）MTC的排水阶段。MTC中的MOF-303可以首先通过氢键断裂释放水，然后TC链之间的水分子被部分分解。iv）从排水到收集的过程。由于MOF-303和TC的锚定作用，较低的吸收焓变化(H ads）值可以减少水释放所需的能量。此外，MTC的多孔结构改造了其水分释放通道，从而增强了其对水分释放的影响，即使在低热（如40 ℃）下，水分子也能有效地从MTC内部释放并形成水滴，水在这个过程中被成功收集。
总结，我们设计了一种独特的MOF-303/巯基化聚合物复合材料（MTC）的水收集器，该材料仅含有MOF-303和巯基化壳聚糖（TC），未加入无机盐。在调节聚合物链上的硫醇基团和晶体之间的反应条件的同时，将MOF-303和TC复合。MOF-303分布在TC骨架中，可以形成多孔形态，有助于在低湿度下获取水分。我们强调了制造MTC的多元策略（巯基含量和制备模式）如何为控制亲水性和吸水能力提供有效的手段。MTC作为一种多孔材料，通过硫醇改性和共混掺杂制备，通过比较多种复合模式的最佳性能，大大提高了吸水范围，降低了使用限制。由于巯基化壳聚糖与MOF-303的结合，MTC获得了优异的结果，即在12.5%的极低湿度下，MTC可以吸收0.135g/g的水，这优于0.11g/g的纯MOF-303。TC和MOF-303之间的范德华力和氢键导致所需的低解吸温度。MTC在约40 °C时将水释放能力提高到0.36 g/g。该研究为开发用于高效大气集水的智能干燥剂、水工程相关设备和系统等提供了新思路。
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