Синергетический композит на основе МОС, обеспечивающий значительное повышение эффективности преобразования солнечной энергии в воду в климатоустойчивых системах сбора атмосферной воды

Превращение воздуха в питьевую воду

Во многих регионах мира остро не хватает воды, хотя воздух над нами содержит в несколько раз больше воды, чем все реки и озёра Земли вместе взятые. В этом исследовании показано, как новая материальная композиция и конструкция устройства могут извлекать больше этой скрытой влаги из воздуха, используя только солнечный свет, даже в суровых климатических условиях. Работа указывает путь к компактным автономным машинам, которые могли бы обеспечивать чистой водой без колодцев, труб или электросетей.

Зачем добывать воду из редкого воздуха?

Миллиарды людей живут с ненадёжным доступом к пресной воде, в то время как атмосфера постоянно содержит гигантские запасы водяного пара. Инженеры уже создали устройства, которые охлаждают влажный воздух для сбора росы, улавливают капли тумана или используют губкоподобные материалы для впитывания влаги с последующим её высвобождением. Среди них особенно привлекательно использование солнечной энергии в сочетании со специальными сорбентами, поскольку такие системы работают в удалённых местах без топлива или батарей. Однако многие существующие материалы требуют высоких температур для высвобождения поглощённой воды, что сложно обеспечить часами в реальных условиях под солнечным светом. В результате такие устройства часто теряют пользу от долгих влажных ночей и показывают низкую эффективность в пасмурные или мягкие дни.

Умная водяная губка из двух компонентов

Исследователи решили эту проблему, сочетая два хорошо известных компонента в одном тщательно сконструированном «водном губчатом» материале. Основа — пористая кристаллическая структура, известная как МОС (металло‑органическая структура), обладающая огромной внутренней площадью и каналами, которые быстро поглощают воду. В эти крошечные каналы они ввели обычную соль — хлорид лития, которая естественно притягивает большие количества воды, но обычно становится текучей и нестабильной при переувлажнении. Замачивая МОС в растворе соли, а затем высушивая его, они создали тонкое, равномерное покрытие соли на внутренних поверхностях без закупорки структуры. Измерения размера пор, площади поверхности и химического состава подтвердили, что соль образует однородный слой внутри каркаса, а не скапливается снаружи.

Впитывание ночной влажности, отпускание под мягким солнцем

Испытания по поглощению воды показали, что этот композит способен впитывать экстраординарные количества влаги, особенно когда воздух достаточно влажный, например ночью в сухих регионах. Материал захватывает воду в несколько стадий: сначала вода прочно связывается с солью, затем соль частично переходит в жидкое состояние, и в конце концов структура набухает, заполняясь раствором. Критически важно, что практически вся эта вода может быть освобождена при относительно низких температурах — порядка температуры горячей воды из крана — в отличие от гораздо более высоких температур, требуемых многими ранними МОС-сорбентами. Многократные циклы поглощения/освобождения подтвердили, что материал может многократно принимать и отдавать большие объёмы воды без потери ёмкости или протекания соли.

Компактное солнечное устройство с разумным управлением теплом

Чтобы превратить материал в практическое устройство, команда собрала модульную панель из множества небольших картриджей, заполненных композитом и покрытых тёмной поверхностью, поглощающей солнечный свет. Ночью открытые картриджи вытягивают влагу из воздуха. Днём солнечный свет нагревает панель, повышая температуру сорбента и высвобождая водяной пар в замкнутую камеру, где более холодная поверхность конденсирует пар обратно в жидкую воду. Специальная двухслойная передающая пластина внутри устройства помогает сохранять горячую сторону тёплой и холодную — прохладной, упрощая тонкий баланс между нагревом для десорбции и охлаждением для конденсации. В лабораторных испытаниях панель размером с настольную единицу произвела более литра воды на квадратный метр за семь часов и продемонстрировала примерно на четверть лучшую тепловую эффективность по сравнению с тем же устройством, использующим только МОС.

Работает в разные сезоны и в разных местах

Полевые испытания в трёх китайских городах с очень разными климатами — влажном субтропическом Шанхае, жарком континентальном Цзинане и прохладном высокогорном Куньмине — показали, что устройство на основе композита стабильно превосходит аналогичное, содержащее только МОС. В зависимости от места новая система собрала примерно на 50–90 процентов больше жидкости при одинаковых наружных условиях, включая дни с более слабым солнцем и низкими температурами. В некоторых случаях она начинала производить воду раньше утром и продолжала поглощать влагу дольше ночью, лучше используя естественный суточный цикл влажности. Важно, что химический анализ собранной воды не выявил детектируемых следов лития, никеля или других металлов, что указывает на то, что вода по чистоте сопоставима с дистиллированной, а соль остаётся прочно зафиксированной внутри материала.

Что это значит для будущих водных решений

Проще говоря, исследователи создали более эффективную «воздушную губку» и поместили её в более умный корпус. Соединив пористый кристалл с гигроскопичной солью и снабдив систему продуманным тепловым менеджментом, они получили устройство, которое может извлекать больше воды из воздуха при меньших энергетических затратах. Поскольку оно работает при более низких температурах и в разных погодных условиях, этот подход может привести к доступным солнечным устройствам для обеспечения питьевой водой в сухих, отдалённых или климатически напряжённых регионах. Работа служит практическим планом того, как сочетание материалов с дополняющими преимуществами может превратить обычный солнечный свет и влажный воздух в надёжный источник пресной воды.

Цитирование: Shao, Z., Feng, X., Poredoš, P. et al. Synergistic MOF-based composite enabling significant solar-to-water generation enhancement in climate-resilient AWH. Nat Commun 17, 2097 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68946-8

Ключевые слова: сбор атмосферной влаги, солнечное опреснение, металло‑органические каркасы, гигроскопичные соли, независимое снабжение водой