清华大学核能与新能源技术研究院，新型能源与材料化学研究室主任，研究员/博士生导师，锂离子电池课题组学术带头人。1982年考入清华大学化学化工系，毕业后留校工作。30年来一直从事锂离子电池及材料研究。研究工作聚焦材料化学与化工，开展了EUV光刻胶、聚合物化学、MOFs/COFs多孔材料、储氢材料、计算化学等研究。荣获2024年年度“全球高被引科学家”。

　　武汉大学博士，清华大学博士后。主要从事小分子光催化、电催化、能源转化、能源存储的研究及光刻胶产业化应用。

　　全球近三分之二的人口面临缺水，气候变化无常、持续性干旱使得缺水问题越发严重。将空气冷却至露点可分离出水，即大气取水 (Atmospheric Water Harvesting, AWH)，此方法可大幅缓解干旱地区淡水分布不均和缺水带来PG电子 PG平台的挑战。然而干旱地区湿度低，传统大气取水，捕获水分子困难，能耗大 (2.78~27.8 kW/kg-水)，难以实际使用。

　　多孔材料可捕获水，提高局部空气湿度，利用多孔材料辅助增强大气取水可解决干旱地区捕获水难，取水能耗高的难题。当前结构、功能可设计的MOFs型多孔材料正促使辅助增强型大气取水迅猛发展。

　　如图1 (A) 所示，作者首先对比了传统AWH和吸水材料辅助增强型AWH的取水流程。之后，阐明辅助增强型吸水材料的四个关键指标：

　　图1 (B) 展示了整个吸脱水流程图。图1 (C) 归纳总结了近30年吸水MOF材料的发展史，在此过程中，吸水量攀升，材料吸脱附水循环越发稳定。目前MOF材料已具备在20%湿度下吸水，且可经上百次吸脱附循环。在过去的七年里，材料研发与工程校对协同发展，共同推动了MOFs辅助大气集水 (AWH) 能耗降低，取水量上升。如图1 (E) 所示，目前取水能耗约为5 kW/kg-水，日均取水量约为4 L/kg-MOF。

　　图1.MOFs辅助AWH示意图、发展历程和吸水特性。(A、B)传统冷凝AWH和MOF辅助AWH的空气取水流程示意图。(C)吸水MOF的发展历史。黑色表示水稳定性差；棕色表示在20—60%湿度下吸水；黄色表示该材料可以吸附湿度低于20%的水。(D)不同多孔材料在25 °C下的等温吸水性能。(E)在短短几年内，吸附剂辅助的AWH装置已经从克级技术验证装置、单一取水装置发展成为多循环稳定取水装置，取水能耗大幅已降至5 kW/kg-水，日均产水量已提升至4 L/kg-MOF材料。

　　取水材料难在，既要满足“在低湿度下强烈吸附水分子”，又要满足“在较低温度下释放水”，然而两者本身就是一对矛盾体。可设计的多孔金属-有机框架 (MOF) 利用“一体多孔，孔孔分工不同”来化解此矛盾，例如在MOF-801中既有孔径为3.4 的小孔，又有孔径为6.0 的大孔。小孔 (直径近3.4 ) 与单个水分子 (直径2.8 ) 表现出强烈的相互作用，能够在低相对湿度下捕获水。当水分子聚集成簇时，较大的孔 (直径近6.0 ) 则可为水提供存储空间。在这个阶段，大孔隙与水团簇之间的相互作用减弱，故略微加热即可将水分子释放。值得注意的是，在单一MOFs材料中，水分子从小孔吸收到大孔储存是无缝衔接的。MOFs材料中的多功能孔，其功能会随时间和空间改变，这是传统单孔材料不具备的。

　　图2以MOF-303和MOF-801为例，详细阐明水吸附过程，具体详见论文原文。

　　如图3所示，作者指出MOF辅助的AWH提供了一种经济高效的方法来获得清洁的水，即使在沙漠环境中也是如此。目前，科学家和工程师优化的MOF辅助AWH，可以3.5 L水每天每kgMOF的速度生产水，超过了普通人的日常用水需求。在30 °C的温度和30%的相对湿度下，该过程能耗为1.67~5.25 kWh/kg-水。考虑到每kWh 0.07美元的电价，该系统生产的水的成本为0.12~0.37美元/kg-水。即使考虑到碳税，例如目前英国每kg二氧化碳0.1美元的税率，收集大气水的成本 (每kg水0.28~0.89美元) 仍低于瓶装水的全球平均水平 (每kg水0.7美元)。

　　图3.大气取水价格与电的来源以及碳税有关。横轴表示不同的取水能耗。图中的四种背景颜色PG电子 PG平台表示不同来源的电价，从0.07美元/kWh到0.01美元/kWh不等。淡绿色柱表示相应的取水价格，蓝色表示考虑碳税后的取水价格。

　　如图4所示，作者指出通过将MOF辅助的AWH技术与储能解决方案相结合，可以构建一个分散的水电供应系统。一般来说，缺水地区太阳能和风能富裕。此分布式综合水电设施可以发挥以下作用：

　　(1) 太阳能电池和风力发电机将太阳能和风能转化为电能，间歇性电能存储于锂离子电池等电堆中；

　　图4.由辅助增强型AWH与储能系统协同构建的分布式水电一体供应中心。太阳能和风能提供能源，该能源储存于电池中，MOF辅助AWH用于取水，两者匹配运行构建成一个分布式水电一体供给中心。

　　从本质上讲，整个系统是一个自给自足的可分布式水电一体供应商。这些系统不仅可以提升干旱地区居民的生活质量，还可作为应急基础设施，应对气候变化带来的干旱，从而增强人类对风险的抵御能力。

　　MOF辅助型大气水收集 (AWH) 技术有助于从低湿度空气中提取水，能耗低、产水洁净、平价。在学术研究、产业进步和政府资助的协同作用下，MOF辅助的AWH定将取得实质性进展，特别是与储能系统相结合成为水电一体化设施，该方案有望成为城市新型供水系统，在维持农业生产力，支持绿色工业，保持生态平衡上发挥重大贡献。

　　主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

　　转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自MDPI开放科学科学网博客。

　　Network Technology领域选题灵感：“北京邮电大学”文章集锦 Electronics

　　Animals：华南农业大学蔡柏林副教授等创建特刊——地方家禽品种的遗传多样性与保护

　　能源革命和电动汽车革命的新征程——科学世界的无限可能：纪念陈清泉教授九十岁诞辰

　　Deepseek赋能：AI将如何共绘消费领域的新蓝图？ 预印生活快线（一）

　　祝贺！1007名MDPI期刊编委入选2024“中国高被引学者”榜单

　　Nutrients：对话期刊客座编辑——西北农林科技大学龙芳羽副教授和彭晓丽教授

　　IJMS：东北农业大学张润祥教授主持特刊——代谢相关通路在动物生长、发育、疾病及行为中的作用

　　Cancers 深入探索癌症代谢：解析瓦博格效应中的营养物质转运与代谢途径互动

　　Biomimetics：吉林大学邴薇博士和吉林建筑大学殷玥博士创建特刊——仿生防污材料研究进展

　　Materials：清华大学何向明/徐宏团队——MOF材料让干旱地区获取平价清洁水成为可能！