最近發現多孔金屬有機框架可以提取沙漠中大氣中的水來產生飲用水,這提出了這樣一個問題,即此類MOF如何從干旱的空氣中“提取”水并輕松釋放水,特別是在分子層面?事實上,MOF和合成晶體中水結構的演變備受追捧,但對吸水行為的充分機理理解仍然缺失。雖然其中一些結構中的水位置是用衍射技術確定的,但水結合點的填充機理要難得多,確定水的填充順序一直具有挑戰性,因為它需要高質量的數據和在每次吸水時收集這些數據的能力。了解MOF中的水行為機制應該有助于設計能夠以更高的能源效率和生產力運行的集水系統。美國加州大學伯克利分校的Omar M. Yaghi教授、柏林洪堡大學Joachim Sauer以及芝加哥大學的Laura Gagliardi等人在Science上發表最新成果,Evolution of water structures in metal-organicframeworks for improved atmosphericwater harvesting,來說明MOF中收集的水的結構的演化。通過進行廣泛的單晶X射線衍射測量和理論計算,作者破譯了最優異的集水金屬有機框架MOF-303的集水機理,通過使用單晶X射線衍射(SCXRD)定位其孔中的所有水分子,并確定填充這些位置的分子順序。:第一個水分子與極性有機連接分子緊密結合,然后再吸收水分子形成孤立的水團簇,然后是通過團簇形成鏈結構,最后是水網絡。此前,MOF的無機位點被認為是最強的水結合點,通過實驗和計算方法,作者發現極性有機連接分子在MOF-303中作為吸附位點起著主要作用,在那里它們對齊以形成“親水口袋”,使第一批水分子緊密結合并進一步吸收水分子。水結構的這種演變使作者可以通過多變量方法改變孔隙,從而精確地調節了第一批水分子的結合強度,并調節吸水行為。這導致了更高的水生產率,以及再生溫度和焓的可調性,同時不影響容量和穩定性。圖文詳情
圖1. MOF-303的吸附曲線與晶體結構
圖2. ?MOF-303中水吸附位點的晶體結構
圖3. MOF-303中水結構在增加荷載下的演化
圖4. 多元MOF系列的表征文獻信息Hanikel et al.,Evolution of water structures in metal-organicframeworks for improved atmosphericwater harvesting. Science 374, 454–459 (2021)https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj0890