近日，上海交通大学王如竹教授团队与中山大学张杰鹏教授、周东东教授团队合作，针对太阳能驱动的空气取水（SAWH）技术中存在的夜间吸附与日间解吸热力学失配问题，提出了一种基于协同MOF复合材料的解决方案。研究团队利用MOF材料Ni2Cl2(BTDD)作为基质，通过浸渍法优化负载氯化锂（LiCl），构建了名为LiCl@Ni2Cl2(BTDD)的复合吸附剂。该复合材料结合了无机盐的高吸湿量与MOF稳固孔道结构的优点，不仅将解吸驱动温度显著降低至60 °C以下，还极大扩展了高湿度窗口下的吸附持续时间。基于该材料构建的模块化SAWH装置在广泛的气候条件下的实地测试中展现了卓越的稳定性与产水性能，在典型的大陆性气候（如济南）实地测试中，其太阳能驱动的装置日产水量较纯MOF基装置提升了高达91%。
全球超过40亿人正面临淡水短缺危机，而大气中蕴含的水汽资源相当于地表河湖总量的六倍，如何高效地从空气中获取饮用水已成为极具社会意义与战略价值的研究方向。在各类水生产技术路线中，基于吸附的空气取水技术（Sorption-based AWH，SAWH）因其能适应不同湿度环境且可由低品位太阳能直接驱动而备受关注。然而，该技术的大规模应用仍面临两大核心挑战：一是夜间高湿度吸附窗口未被充分利用；二是受限于传统吸附剂的高解吸温度要求，日间太阳能热源往往难以驱动充分的解吸过程，导致产水效率受限。尽管金属有机框架（MOFs）和吸湿性盐类各有优势，但直接应用材料往往分别存在孔容限制问题或泄漏、团聚等稳定性问题。因此，开发一种兼具高吸附容量、快速动力学且能适应低品位热源驱动的复合吸附剂，并配合高效的热设计的太阳能驱动空气取水系统，是实现广域气候适应性“随时随地”空气取水的关键。
研究出发点
本研究的出发点在于解决实际应用场景中吸附剂所需解吸温度高与自然光热条件波动大的矛盾。面向太阳能驱动空气取水中的实际问题，研究团队着眼于复合材料“协同效应”，选用具有大孔容的Ni2Cl2(BTDD)作为基质材料，通过负载高性能吸湿性盐LiCl，实现吸湿盐孔道限域效应分散并有效防止盐的泄漏。在装置层面，团队使用一种高度集成的模块化光热驱动AWH系统构建了两组对比装置，分别搭载复合前后的材料在不同的地域进行了实地测试。多场景实地测试结果显示该装置具有着广泛的气候适应性，实现了太阳能驱动的高效产水过程。
图文解析
针对现有吸附剂在吸附容量与解吸温度之间的权衡难题，研究团队首先从材料吸附机理入手，构建了主客体协同的复合吸附体系。团队筛选出兼具大孔容（1.18 cm3 g-1）及高循环稳定性的MOF材料Ni2Cl2(BTDD)作为基质，通过优化后的浸渍法引入高吸湿性的LiCl盐进行负载。氮气吸附与孔径分布分析显示，在优选的30 wt% LiCl溶液复合后的复合材料LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30孔径从2.20 nm减小至1.66 nm，同时配合PXRD、TOF-SIMS等不同表征手段综合证明了LiCl在MOF孔道内表面形成了均匀分布，从而有效避免了盐团聚。不同于Ni2Cl2(BTDD)材料“S型”吸附等温线，该复合材料呈现出多相的“三阶段”吸附行为：从低湿度的化学吸附，到中湿度的盐潮解，再到高湿度的溶液吸收，最终实现了相较于纯基质MOF材料在全湿度域吸附性能的提升。实验数据显示，该复合材料在30 °C/80%相对湿度下的吸水量高达3.46 g g-1，相当于基质材料Ni2Cl2(BTDD)相同湿度下吸附量的近4倍，同时在不同湿度区间内均实现了吸附量与吸附速率的提升。同时该复合材料对解吸温度要求低，60 °C下的低驱动温度即可实现近95%的解吸。高吸附容量与低解吸温度配合大幅降低了对太阳能热源强度的要求，可以更好地适应多云等太阳能驱动空气取水系统中常见的不利气候条件，同时为全天候高效取水奠定了热力学基础。
图一 LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30性能表征
优异的材料性能需要匹配高效的系统设计才能转化为实际产水量。针对光热驱动AWH系统中解吸（需高温）与冷凝（需低温）的热设计需求矛盾，团队使用了一种高度集成的可扩展模块化SAWH装置。该装置采用双层绝热传质板设计，成功在紧凑的空间内实现了吸附床热域与冷凝室冷域的有效解耦与热分区。最终通过削弱吸附床与冷凝壁面间热量传递同时实现了解吸温度的提升与降低冷凝温度双重目标。凭借装置热设计优化与高性能复合材料结合，装置表现出较好的低光照适应性，即便在400 W m-2的弱光照强度下（常见典型夏季正午阳光辐照强度可达1000 W m-2或更高），仍能实现超过500 g m-2的产水。同时装置在各辐射条件下整体产水量均较未复合LiCl的Ni2Cl2(BTDD)系统提升了25%以上，其中在1000 W m-2下7小时内每平米产水超1 L，产水体积密度达30.3 L m-3。
图二 搭载LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30的太阳能驱动空气取水装置实验室性能测试结果
为了验证技术在实际场景应用中的普适性，研究团队跨越不同气候区在上海（湿润亚热带）、济南（大陆性气候）和昆明（冬季亚热带高原）对基于Ni2Cl2(BTDD)与LiCl@Ni2Cl2(BTDD)_30的装置进行了广泛的户外实地对比测试。测试中未使用风机、制冷系统等冷凝辅助设备，仅凭太阳能光热驱动装置运行。实测结果表明，复合材料系统展现出对实际环境波动的极强适应力。在上海的对比测试中，得益于更低的启动温度，复合材料装置比纯MOF装置提前一小时（9:30 a.m.）就开始产出液态水。在气候较为干燥的济南，这种优势被进一步放大，复合材料系统的产水量较纯MOF系统提升了高达91%。同时在昆明的冬季实际测试中，即便光热部件驱动温度仅为60 °C，装置依然保持了高效的运行状态，证实了其在低温、低辐照等苛刻环境下的运行可靠性。此外，连续多日的循环测试及水质分析证实，该系统在运行中产水量稳定可靠且收集到的水质纯净，离子浓度符合WHO饮用标准。
图三 太阳能驱动的空气取水系统户外实验
总结与展望
本工作提出了一种通用的吸湿盐复合与系统优化协同策略，通过将吸湿性盐引入MOF骨架内，成功构建了兼具高吸附容量与低解吸温度特性的复合吸附剂。该策略不仅解决了传统MOF材料再生温度高、能耗大的瓶颈，还通过装置层面的热管理优化，显著提升了太阳能利用效率，同时模块化的设计可以满足未来装置规模化的扩展需求。通过在不同气候区的成功实地验证，该技术有望在应对全球淡水短缺、特别是针对离网和干旱地区的分散式供水方面发挥作用。未来，随着对复合材料主客体相互作用机制的进一步解析，该策略有望拓展至更多种类的多孔基质与吸湿盐组合，从而为实现更高效、更低成本的大气水收集提供无限可能。
文献信息
Shao, Z., Feng, X., Poredoš, P. et al. Synergistic MOF-based composite enabling significant solar-to-water generation enhancement in climate-resilient AWH. Nature Communications (2026).
https://doi.org/10.1038/s41467-026-68946-8
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