不怕水的MOFs，不“水”的Science

天然气在运输和使用之前需要脱水，以避免引起管道腐蚀和堵塞等问题。通常工业上使用干燥剂例如活性氧化铝或者无机分子筛来解决脱水问题。然而，这些材料的再生过程往往需要耗费大量能量，比如加热到250 ℃以上的高温处理。那么问题来了，有没有相对节省能源的方法么？

近日，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的Mohamed Eddaoudi 教授课题组在Science 上发表文章，报道了一种含氟金属-有机框架（MOFs）材料AlFFIVE-1-Ni（KAUST-8），能够高效、高选择性地除去天然气中的水蒸气。同时，这种材料只需约105 ℃热处理即可实现循环使用，所需能量仅为传统分子筛所需再生能量的一半。

带有异域风情的Eddaoudi课题组合影。图片来源：KAUST

KAUST-8除水示意图。图片来源：Eddaoudi教授课题组

或许研究MOFs的小伙伴会有疑问，用MOFs除水？不是说MOFs的水稳定性很菜的么？

的确，MOFs由于配位键较弱，通常被认为在水存在的环境下易发生水解而造成骨架坍塌。不过，近几年科学家们通过修饰（如在配体中引入疏水基团、或在晶体表面覆盖疏水层）等方法提高MOFs的稳定性。随着研究的开展，出现了对水稳定的MOFs，上个月Science 刚发表了一篇可以实现在空气中收集水蒸气的MOFs结构（点击阅读详细）。

再来简单介绍下KAUST和Eddaoudi教授。KAUST的建校历史并不长，从2009年到现在仅仅8年。这座位于沙特港口城市吉达的研究型大学，研究资金极其充裕，拥有着世界顶尖的科研设备、实验室和研究人员，被戏称为“土豪大学”。当然，重金投入的KAUST科研成果也非常惊人，是目前世界上学术研究和论文被引用率增长最快的学术机构之一，也被称为“阿拉伯的MIT”。Eddaoudi教授作为国际知名的材料学家，现任KAUST物理科学与工程学院先进薄膜和多孔材料研究中心主任，在MOFs等固态功能材料领域做出了不少贡献。去年X-MOL曾报道过Eddaoudi教授课题组的MOFs材料KAUST-7，可分离分离丙烯/丙烷混合物，该论文一样发表在Science上（点击阅读相关）。

犹抱MOFs半遮面的Eddaoudi教授。图片来源：KAUST

回到这篇文章。天然气主要成分是CH₄，但也包括CO₂、N₂、H₂O以及碳数更高的烃类等。在KAUST-8中具有镍（Ni）和吡嗪构成的截面为方形的一维孔道，包含开放的金属配位位点和氟（F）的周期性阵列。天然气气流进入孔道后，H₂O分子通过氢键和F原子相互连接，而其他气态分子则可自由通过，从而实现MOFs对天然气中水蒸气的选择性吸附。

MOFs吸水、再生过程的理论计算及NMR测试，来源：Science

KAUST-8的热稳定性以及水稳定性都很好，其晶体结构在加热至400 ℃或者置于相对湿度95%的环境中都不会发生改变（下图A）。KAUST-8的吸水能力也十分优秀，在实验条件下可达到22 wt.%，同样条件下高于常见的吸附剂硅胶和沸石（3A、4A、5A、13X）（下图C），而且经过多次吸附-脱附循环没有明显降低（下图D）。另外，与沸石3A、4A、5A相比，KAUST-8对水的吸附热（Q_st）要明显更低，这使得它在较低的温度下（约105 ℃）就能实现水蒸气的完全脱附从而再生，而沸石材料的脱附温度几乎要高1.5倍（约250 ℃）（下图C）。另外，作者发现在KAUST-8结构中，H₂O和CO₂分子具有不同吸附位点，因此，通过二者的同时吸附，可以实现气体中H₂O和CO₂的同时去除。

MOFs材料的稳定性和吸水性。图片来源：Science

“起初，我们的目标是在MOFs中引入F元素，在收缩的孔隙中能将规则排列的金属和含氟中心引入进来，以实现各种关键的分离，” Eddaoudi教授接收采访时说，“不过我们发现了KAUST-8这种MOFs材料不但可以在水中稳定存在，还具有独特的吸水性能及优异的吸附-脱附循环能力。可以实现气体的脱水，满足工业输送的需要。”

——小结——

这篇Science 工作老实说并不难，但是文章的突破点选择的非常好。能源以及功能新材料本身都是研究热点，而从“除去天然气中的水蒸气并腰斩能耗”这个角度撰写论文，突显了工作的应用潜力，亮点突出。另外，如果MOFs能逐渐实现在水等溶液中稳定存在，那么今后在气态、液态吸附，甚至喷墨打印等领域的应用和研究可能会越来越多。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Hydrolytically stable fluorinated metal-organic frameworks for energy-efficient dehydration

Science, 2017, 356, 731-735, DOI: 10.1126/science.aam8310

（本文由小希供稿）

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