微孔与介孔框架中水蒸气吸附机制解析：面向大气集水的等温线、动力学及热力学研究

【编辑推荐】本研究针对全球水资源短缺问题，系统探究了微孔MOF-801与介孔Al-Fumarate在大气集水（AWH）中的水蒸气吸附机制。通过ASTM E104标准方法结合多种表征技术（XRD/FTIR/BET等），揭示了FHH模型对多层吸附的最佳拟合性（R2>0.82），发现Al-Fumarate更强的水相互作用（?43.2 kJ/mol）与MOF-801的低湿度优势，为湿度特异性MOF设计提供了理论依据。

　　

研究背景

全球75%的表面被水覆盖，但淡水资源仅占2.8%，加之人口增长与能源消耗，水资源危机日益严峻。传统技术如反渗透和太阳能净化受限于地理条件，而大气中蕴含的50,000 km³水蒸气成为潜在解决方案。然而，现有吸附剂（如硅胶、沸石）存在再生能耗高、低湿度吸附差等问题。金属有机框架（MOFs）因其可调孔隙和高亲水性成为研究热点，其中MOF-801（微孔）和Al-Fumarate（介孔）表现出优异的循环稳定性（>4500次）和湿度适应性，但二者吸附机制差异尚不明确。

研究方法

研究团队通过溶热法合成MOF-801和Al-Fumarate，采用X射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）等技术表征结构，结合BET比表面积测试和扫描电镜（SEM）观察形貌。吸附行为在10–80%相对湿度（RH）和20–25°C下测试，使用ASTM E104标准。通过7种等温线模型（Langmuir、Freundlich等）和6项统计指标（如R²、AAD）评估吸附机制，并采用线性驱动力模型（LDF）分析动力学。

研究结果

1. 吸附等温线模型
Frenkel-Halsey-Hill（FHH）模型对两种MOFs的拟合最优（R²>0.82），表面分形维度显示Al-Fumarate（D?=1.40, D?=2.83）和MOF-801（D?=1.32, D?=2.81）的多层吸附差异。

2. 热力学分析
Al-Fumarate的水相互作用更强（?43.2 kJ/mol），而MOF-801的微孔结构导致温和的焓变（?28.1 kJ/mol），适合单层物理吸附。

3. 动力学行为
LDF模型揭示湿度驱动的吸附层数转变：MOF-801在低RH（<20%）表现优异，Al-Fumarate在中高RH下吸附更快且容量更高。

结论与意义

该研究阐明了MOFs孔隙结构对水吸附机制的决定性影响：微孔MOF-801适合干旱地区，介孔Al-Fumarate适用于中等湿度环境。FHH模型和分形维度的应用为MOFs设计提供了新思路，而热力学与动力学参数的量化对比为实际AWH设备选材提供了科学依据。论文发表于《Journal of Water Process Engineering》，推动了MOFs在可持续水资源开发中的应用。