近日，香港大学土木工程系张龄月博士为第一作者、汤初阳教授为通讯作者的研究成果以“Hydrogel-embedded Vertically Aligned Metal-Organic Framework Nanosheet Membrane for Efficient Water Harvesting”为题，发表在著名综合性学术期刊Nature Communications。该论文针对单组分MOF的有限吸水率，提出在水凝胶基底膜表面定向生长垂直的MOF纳米片层，实现高效水汽捕集和太阳能驱动集水。
引言
空气水捕集（AWH）是分布式供水的重要方式之一，与传统集中供水相比，AWH为小规模产水提供了一种可行的解决方案，特别是在人口稀少和干旱地区。由于具有多孔结构和亲水性能，MOF材料被认为是AWH的理想吸附材料。然而，有限的吸水率和保水能力，是一直以来限制MOF材料广泛应用的重要因素。将MOF与聚合基底结合能够有效提高水汽捕集和吸水效率，但二者溶剂体系的冲突和MOF材料剥离的困难，始终是研究领域的关键技术难题。
本研究提出了一种在水凝胶基底膜表面定向生长垂直的MOF纳米片层的制备策略。聚乙二醇（PEG）在水凝胶膜的制备和MOF的定向生长过程中分别充当交联剂和表面活性剂，巧妙地实现了聚合基底在MOF生长过程中的稳定以及纳米片形貌调控。所合成的MOF-CT/PVA膜具有稳定的灵活性和高比表面积，能够实现高效水汽捕集和太阳能驱动水收集。
图文导读
水凝胶膜上MOF纳米片层的制备
研究首先以PEG作为交联剂，制备了稳定的CT/PVA水凝胶基底膜。与未交联的水凝胶膜相比，CT/PVA能够在MOF溶剂体系中保持稳定的形貌和性能。此外，由于PEG具有亲水性和疏水性官能团，其在MOF的生长过程中吸附在纳米晶体表面以及水/有机体系界面，使得MOF垂直排列在水凝胶膜表面。得益于纳米片层的定向生长，所制备的MOF-CT/PVA膜在卷曲和折叠测试中具有较高的柔韧性和稳定性。
图1 MOF-CT/PVA制备及形貌表征
具有超亲水性的垂直排列MOF纳米片
研究进一步解析了定向生长的MOF纳米片特性。XPS和FTIR的表征结果证明了PEG在纳米片表面的附着，与块状MOF相比，MOF-CT/PVA表面生长的纳米片具有一致的晶体结构，但晶格间距略有提高。另外，MOF纳米片层的垂直生长显著提高了水凝胶膜的表面亲水性能，MOF-CT/PVA对水的接触角为0°，呈现超亲水特性。
图2 MOF-CT/PVA性能表征结果
快速空气集水性能
空气中的水分子能够在MOF-CT/PVA的纳米片层冷凝，再通过纳米片及孔道快速传递到水凝胶膜中。纳米片形貌是影响该吸水过程的重要因素。水滴吸收和传质过程的二维流场拟合进一步证明了这一机制。垂直分布的纳米片结构避免了捕获的水滴频繁穿过或绕过大量气固界面，这大大提高了传质速率。同时，高（纳米片的边缘和小孔）和低（纳米片之间的较厚部分和大孔）曲率区域之间的拉普拉斯压力差异进一步促进了水滴向水凝胶基底的快速定向吸收。空气集水测试进一步证实，所开发的MOF-CT/PVA膜能够在30%-90%相对湿度条件下均表现出优异的集水性能。在相对湿度90%的条件下，能够达到4.44 g g-1的吸水率。
图3 空气集水性能及机制解析
太阳能驱动蒸发和循环性能
由于MOF纳米片的光热特性和垂直形貌带来的比表面积提高，MOF-CT/PVA具有太阳能驱动的高效集水特性。在1个太阳光照射下，MOF-CT/PVA的表面温度快速提高到56.9℃，表面高温所带来的温度差使得水凝胶中收集到的水快速蒸发，从而实现了太阳能驱动的水收集。研究以30分钟集水和10分钟蒸发为一个集水周期，在10个测试周期内，MOF-CT/PVA均表现出稳定的空气水收集能力。
图4 太阳能驱动集水性能
小结
本研究巧妙地采用PEG作为交联剂和表面活性剂，实现了垂直排列的MOF纳米片在水凝胶膜上的定向生长。这种制备策略克服了复合集水材料，尤其是MOF和水凝胶溶剂系统冲突带来的挑战。所构建的MOF-CT/PVA复合集水膜能够实现较高的空气集水能力。本研究提出的协同合成策略为在聚合物膜上构建MOF层提供了一种可行的方案，可广泛应用于后续多功能先进材料的开发。
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54215-z#citeas
作者简介
通讯作者：汤初阳（Chuyang Tang）教授在斯坦福大学获得博士学位，历任新加坡南洋理工大学助理教授、副教授及澳大利亚新南威尔士大学教授，现任香港大学土木工程系终身教授、英国皇家化学学会会士、土木工程师学会会士，入选巴斯大学2022-2023全球讲席教授、2021-2022年入选汤森路透交叉科学(Cross-Field)领域的全球“高被引科学家”，2020-2021年度首届香港特区研资局高级研究学者。汤教授的主要研究兴趣包括膜分离技术、海水淡化、水回用、清洁能源等。截至目前汤教授已发表＞310篇期刊论文，Web of Science总引文数＞25000，H指数为93。目前担任脱盐领域旗舰期刊Desalination共同编辑，同时担任多个SCI期刊的编委，如Environmental Science & Technology Letters, Journal of Membrane Science等。
第一作者：张龄月，香港大学土木工程系研究助理教授，国际固废工作组织（IWWG）青年工作组组长，科学顾问委员会委员。主要研究方向聚焦水资源循环及环境纳米材料。在环境领域国际知名学术期刊NC、ES&T、WR、Small等发表22篇SCI论文，授权1项国际发明专利、3项国家发明专利。2022年获得清华大学博士学位，并荣获北京市优秀毕业生、清华大学优秀博士学位论文、国家奖学金。现主持香港大学研究事务委员会基础研究种子基金1项，参与国家重点研发计划、香港特区创新科技署等重大科研课题研究。
