[发明专利]一种具有高稳定性的新型铝基吸水MOFs材料及其制备方法和空气集水应用

说明书

本发明提供了一种具有高稳定性的新型铝基金属‑有机框架(MOF)材料及其制备方法和空气吸水应用，所述铝基MOFs材料为三维网络结构的固体晶态材料，结构通式为Al(OH)L，其中L为六元含氮杂环的双羧酸有机配体；所述的MOFs材料可作为吸附剂材料从空气中吸附水蒸气。其制备过程通过向有机配体上引入N杂原子来修饰和改变MOF材料孔道的亲水位点分布，使材料的框架从柔性转变为刚性，从而提高材料在低湿度下的吸水量并降低脱附所需要的能量。所述材料具有优异的化学稳定性、水稳定性以及热稳定性，且材料制备方法简单、成本低廉，具有极大的应用前景。

技术领域

本发明涉及吸附材料以及环境与能源的技术领域，具体涉及一种具有高稳定性的新型铝基吸水MOFs材料及其制备方法和空气集水应用，该材料可以通过修饰有机配体使得MOF材料从柔性框架转变为刚性框架，可用于干旱环境下(10％RH～20％RH)从干燥空气中吸附大量水蒸气进而收集水资源。

背景技术

淡水资源缺乏是全球面临的众多挑战之一，它正在威胁人类社会的发展。根据世界卫生组织(WHO)的一份报告，到2025年约三分之二的人口将生活在缺水的国家，环境污染和人口的增加将进一步加剧这种情况。尽管地球的大部分表面被水覆盖，但全球水资源的96.5％是海水，不能被直接饮用，只有2.5％是淡水，且仅有0.3％处于液态。海水淡化是目前常用的淡水资源技术手段，海水淡化技术可以提供稳定的淡水供应，但是相应设施的建设需要大量的资金成本，而且淡化过程非常耗能。此外，大多数干旱地区是内陆地区，那里无法获得天然液态水，因此有必要开发分布式集水装置为这些地区提供淡水资源。大气水是一种潜在的水资源，主要以三种形式存在：云，雾和蒸气，储量估计为12900万亿升，是世界上河流中水的六倍，约占人类可利用淡水资源的10％，为解决当前的水资源缺乏困境提供了一种新的可能途径。

为了从空气中收集水资源，有研究者使用网状材料来捕获空气中的微小液滴。但是该方法需要较高的相对湿度高(RH60％)和一定程度的空气流动，这意味着该方法对地理条件有很强的依赖性。除了雾和云中存在的微小水滴外，大多数大气水都是以蒸气形式存在，即使在最干燥的沙漠地区，水蒸气也无处不在。从大气中收集水蒸气并获得水资源主要有两种途径：基于空气冷凝的大气水收集以及基于吸附水蒸气的收集方法。空气冷凝法是通过将湿空气冷却到其露点以下来进行的，该方法能耗高且对湿度有很高依赖性，在RH50％时很难进行且效率极低。吸附法是使用吸水材料从空气中吸附水蒸气，然后通过低能耗加热(例如太阳能和废热等)释放被吸附的水，并使用液化装置获得液态水。相比之下，基于吸附的方法在干旱地区更方便和节能。

根据吸附剂和水蒸气之间的作用力不同，吸附过程通常分为物理吸附和化学吸附。对于大多数经典的固体物理吸附剂，例如分子筛和硅胶吸，附剂与水分子的强相互作用会导致较高的再生温度(T_re100℃)，因此该过程很难通过太阳能直接驱动。化学吸附剂，例如吸水无机盐，通常比物理吸附剂具有更高的吸水率和更低的再生温度，但会对设备造成腐蚀并影响水质，且存在膨胀和结块等严重缺陷。因此，这些传统的吸水材料都不适合于从干燥空气中(RH20％)吸附大量水分子。

金属-有机框架材料(MOF)是一种新型的多孔功能材料，由无机团簇(或二级建筑单元，SBU)与有机分子(“连接子”)连接而成的具有永久孔隙的骨架结构。它们具有高的比表面积和孔隙率，易调控的微孔结构和表面特性，以及对气体/蒸气优良的吸附选择性，近年来被广泛应用于气体/蒸气的吸附与分离，这些特点使其在收集大气水方面有着巨大的潜力。最近，使用MOFs材料作为吸附剂，在空气集水领域已取得了可观的进步。但是到目前为止，很少有MOFs材料在干燥气候条件下(比如10～20％RH的极低湿度)具有令人满意的吸水容量。此外，用于空气集水的吸附剂材料需要极其可靠的稳定性，然而由于较弱的配位键，大多数MOFs材料稳定性很差，其长期水稳性仍然面临巨大挑战。另一方面，MOFs材料通常是在有毒的有机溶剂(如二甲基甲酰胺和二甲基乙酰胺)中制备的，这既造成了工艺上的繁琐，又对环境有害。