基于协同作用的MOF复合材料在气候适应型大气采水中显著提升太阳能制水效率

把空气变成饮用水

世界上许多地区长期面临缺水问题，然而我们头顶的空气中所含的水量是地球上所有河流和湖泊水量的数倍。本研究展示了一种新材料与器件设计，能够仅利用阳光从空气中提取更多隐藏的水分，即便在严苛气候下也能工作。该成果指向小巧、离网的装置，能够在无需井、水管或电网的情况下提供洁净用水。

为什么要从稀薄的空气中采水？

数十亿人面临不稳定的淡水供应，而大气中始终承载着巨大的水汽库。工程师们已经开发出通过冷凝潮气收集露水、从雾中捕捉水滴，或使用海绵状材料吸湿并在随后释放水分的装置。在这些方法中，利用阳光驱动并采用特殊吸附材料的系统尤为吸引人，因为它们可在偏远地区无需燃料或电池运行。然而，许多现有材料需要较高温度才能释放所吸附的水分，而在真实户外光照条件下长时间达到这些高温并不容易。因此，这类装置经常浪费漫长潮湿的夜晚，并在多云或温和的白天表现不佳。

由两种成分构成的智能“水海绵”

研究团队通过将两种已知成分结合成单一、精心设计的“水海绵”来解决这一问题。骨架是一种多孔晶体结构，称为MOF，具有巨大的内部表面积和可快速吸水的通道。在这些微小通道中，他们引入了一种常见盐——氯化锂，该盐天然具有强吸水性，但在液化时通常会变得混乱且不稳定。通过将MOF浸渍在盐溶液中并随后干燥，他们在内部表面上形成了薄且均匀的盐层，而不会堵塞结构。孔径、表面积和化学成分的测量结果确认，盐在框架内部形成了均匀的涂层，而不是在外部聚集结块。

夜间吸湿，温和日照下释放

水吸附性能测试表明，这种复合材料可以吸收极大量的水分，尤其是在空气相对潮湿的情况下，例如干旱地区的夜间。材料分阶段捕获水分：首先水被强烈地吸附到盐上，然后盐部分液化，最终吸收的溶液使材料膨胀。关键在于，几乎全部被吸附的水都可在相对较低的温度下被驱出（大约等同于热水龙头的温度），而不是许多早期MOF吸附剂所需的更高温度。循环实验反复证明，该材料可以多次吸放大量水分而不降低容积或发生盐泄漏。

一种合理管理热量的紧凑太阳能装置

为将这种材料转化为实用工具，团队构建了由多个小筒盒组成的模块化面板，筒内填充复合材料并覆盖有深色吸光表面。夜间，暴露的筒盒从空气中吸取水分；白天，阳光加热面板，使吸附剂放出水蒸气，蒸气进入封闭舱室，在那里较冷的表面将其重新冷凝成液态水。装置内部的一种双层传热板有助于保持热侧温度和冷侧温度的分离，从而简化了为释放而加热与为冷凝而降温之间的微妙平衡。在实验室测试中，一块桌面大小的面板在七小时内每平方米产水量超过一升，并且在热效率上比仅使用MOF的同等装置提高了约四分之一。

跨季节与不同地点均可工作

在气候差异很大的中国三座城市——湿润的亚热带上海、炎热的温带济南和凉爽的高原昆明——进行的实地测试表明，基于复合材料的装置始终优于仅用MOF的类似装置。根据地点不同，新系统在相同户外条件下收集的液态水大约多出50%到超过90%。在一些情况下，它更早在清晨开始产水，并在夜间更长时间吸湿，更好地利用了自然的昼夜湿度循环。重要的是，收集水样的化学分析未检测到锂、镍或其他金属痕量，这表明所得水质可与蒸馏水相当，且盐安全地锁在材料内部。

这对未来水资源解决方案意味着什么

简而言之，研究人员打造了更好的“空气海绵”并把它装进了更聪明的箱体。通过将多孔晶体与亲水盐结合，再配以巧妙的热管理，他们创建了一个能够以更低能耗从空气中提取更多水分的系统。由于该方法在较低温度下工作并适用于多种天气条件，它可能催生价格可负担的太阳能供水装置，为干旱、偏远或气候压力大的地区提供饮用水。该工作为将互补优势的材料组合起来、将日常阳光与潮湿空气转化为可靠淡水来源提供了蓝图。

引用: 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

关键词: 大气水收集, 太阳能海水淡化, 金属有机框架, 亲水盐, 离网供水