北航郑咏梅团队ACS Nano：新型大气集水材料突破低湿度限制
北航郑咏梅团队ACS Nano：新型大气集水材料突破低湿度限制
北京航空航天大学郑咏梅教授团队最近开发了一种新型大气集水材料MTC（MOF-303/巯基化壳聚糖复合材料），该材料能够在极低湿度条件下高效收集和释放水分。这一突破性成果发表在顶级期刊《ACS Nano》上，为解决水资源短缺问题提供了新的思路。
传统的吸湿材料在低湿度环境下效率较低，且存在吸湿盐泄漏的问题。而北航团队开发的MTC材料通过将MOF-303晶体与巯基化的壳聚糖复合，克服了这些缺点。壳聚糖是一种具有独特阳离子多糖的聚合物，具有良好的生物相容性和生物降解性，同时富含官能团，可以形成多孔结构。MOF-303则因其高孔隙率和高效的集水能力而被广泛研究。
图1展示了MTC的合成步骤及其微观机理。首先从壳聚糖开始，通过酰胺反应将MCA接枝到壳聚糖链上，制备得到巯基化壳聚糖（TC）。然后通过共混掺杂的模式制备MTC集水材料。这种材料可以在低湿度下高效吸水，并在40℃的低温下快速释放和收集水。
图2显示了MTC的微观结构和表征。其结构包括珠粒和节点，形成孔径为几微米的多孔和交联的网络结构。通过TEM观察和元素图谱分析，可以清晰地看到N、Al和S元素的分布。红外光谱、XRD和XPS分析进一步证实了MTC的半结晶性质和MOF-303的均匀分布。
在实际测试中，MTC材料表现出优异的吸水和释放性能。与纯MOF-303相比，MTC在低湿度环境下（~20%）保持较高的吸水性能。在30%的相对湿度下，MTC的吸水能力达到0.42g/g，水的释放和收集效率在前30分钟最高，三个半小时后分别达到0.0195g/g/min和0.0168g/g/min的平衡点。
在极端低湿度条件下（12.5% RH），MTC的吸水能力（0.135g/g）显著高于MOF-303（0.11g/g）。在8.5% RH下，MTC的水释放能力（0.36g/g）也优于MOF-303的（~0.20 g/g）。通过DFT计算模拟发现，MTC中存在显著的吸引力，这有助于水分子的吸附和释放。
最后，研究团队详细描述了MTC从水分子吸收到水释放再到水收集的全过程。通过硫醇改性和共混掺杂制备的MTC，不仅提高了吸水范围，还降低了使用限制。在12.5%的极低湿度下，MTC可以吸收0.135g/g的水，优于0.11g/g的纯MOF-303。TC和MOF-303之间的范德华力和氢键使得MTC在约40℃时就能将水释放能力提高到0.36g/g。
这项研究为开发用于高效大气集水的智能干燥剂、水工程相关设备和系统提供了新的思路。郑咏梅教授团队长期从事仿生微纳米梯度界面及其动态浸润性研究，在Nature、Adv. Mater.等顶级期刊发表了140余篇SCI论文，引用量超过13000次，H因子达到52。