来自赫姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心和德累斯顿工业大学的研究人员在原子尺度上探索了某些微孔材料——所谓的分层金属有机框架(mof)——的水吸附机制。
它们的特殊性能在25年前才被发现，很快就被称为“奇迹材料”——事实证明，这种材料甚至可以从空气中吸收水分。研究人员在ACS应用材料与界面中描述了这种材料是如何实现这一目标的。
“这些非常特殊的材料是由金属或金属氧团簇制成的高多孔固体，它们通过有机化学物质的支柱以模块化的方式连接在一起。这种3D排列导致的空洞网络让人想起厨房海绵的毛孔。我们感兴趣的正是这些空腔，”HZDR辐射物理研究所的Ahmed Attallah博士说。
这些纳米级的孔隙是潜在应用的基础，从气体储存到分离技术，以及催化和新型传感器，而水收集是最有前途的应用之一。
该团队基于金属锆和铪合成了两种mof，由相同的有机框架固定。然后，科学家们通过应用各种互补技术对获得的材料的特性进行了更深入的研究。
一方面，他们确定了有多少氮或水蒸气可以被困在材料的孔隙中。另一方面，他们更仔细地研究了mof中水吸附的确切机制，这一机制到目前为止还没有得到很好的理解。
“为了阐明这一过程，我们使用了一种被称为正电子湮灭寿命光谱的非破坏性技术，或者简而言之，PALS，其中正电子将与电子-它的反粒子-相互作用，从而湮灭，然后释放出可以检测到的伽马射线，”HZDR高功率辐射源ELBE中心主任安德烈亚斯瓦格纳博士说。
从放射源发射正电子到随后探测到伽马射线之间的时间是正电子的寿命。这反过来又取决于它们与电子相遇的速度。”
如果材料中存在空隙，比如纳米孔，正电子和电子倾向于形成所谓的正电子原子，每个电子和正电子都有一个，围绕它们共同的质量中心运行，直接相互攻击，直到这对粒子要么散射要么湮灭，以先到者为准。
由于这些外来原子在更大的空洞中存活的时间更长，它们揭示了有关空洞大小和分布的信息。研究人员发现，mof中的水吸附主要受阶梯式填充机制的控制，包括在孔隙中形成液体桥。孔隙表面形成的水团簇会在孔隙中形成较小的气隙，从而影响对水的吸附。
“由于金属锆和铪的化学相似性，由此产生的金属有机框架具有完全相同的孔径和高化学稳定性，使我们能够同时评估我们方法的有效性，”德累斯顿工业大学无机化学I主席Stefan Kaskel教授解释说。他的团队的研究重点是开发各种应用的新型功能材料，如能量储存和转换，环境催化和水吸附。
基于这些结果，研究人员得出结论，他们的研究为分层mof的水吸附机制提供了新的见解，这可以帮助设计更好的从空气中收集水的材料，这在干旱地区尤为重要。通过将mof暴露在空气中，它们可以从大气中捕获水分子。然后，通过加热或降低压力，水就可以被释放出来使用。
科学家们已经想得更远了:这项技术是否适合商业解决方案?据该领域的另一个小组报告，每天从沙漠空气中每公斤MOF提取1.3升水，这可以说明目前实际可实现的产量的大小。
然而，为了获得一个全面可持续的解决方案，除了产量之外，还需要考虑其他因素。“为了扩大mof的集水规模，它们应该可以廉价地大量获得。此外，传统的合成路线需要大量的有机溶剂或购买昂贵的构建模块，”Kaskel和Attallah指出了这一努力中可能存在的陷阱。
为了避免它们，最近开发的所谓“绿色”合成方法将在未来获得动力，确保MOFs的环保生产。
来自德累斯顿的团队已经通过遵循绿色化学的原则来坚持这一理念，例如用水作为溶剂，在节能的低温下进行反应，以及利用废物作为金属和有机连接物的来源。
