研究人员找到使用金属有机框架从空气中提取更多水的方法

化学家和工程师找到了获取水的创新方法——包括从稀薄的空气中提取水。现在，芝加哥大学的研究人员找到了一种提取更多水的方法。

2021年，普利兹克分子工程学院和化学系的LauraGagliardi教授作为跨机构团队的一员，开发了一种从空气中提取水的新设备。关键的创新是一种被称为金属有机框架的设计材料，这是一种金属离子和有机连接体的混合结构，可以在分子水平上进行调整。

MOF具有空孔结构，可以吸附空气中的水分子。Gagliardi和她的团队使用理论和计算方法来更好地理解这种材料在原子水平上的工作原理。

现在，Gagliardi的团队帮助指导设计了一种优化的MOF，它比以前的版本多吸收了50%的空气中的水。该材料最终将被整合到一个设备中，以展示这种可能改变游戏规则的技术。

“这是一个真正的突破，”加利亚尔迪说。“它表明理论、建模和预测可以指导新实验和新技术。”该研究发表在ACSCentralScience上。

尽管最初的MOF效果很好，但该团队希望通过增加材料的孔隙体积来改进它，同时保持与水相似的结合强度。MOF框架由通过“连接器”分子连接的微小铝基棒组成。这种结构产生的孔由交替的亲水(结合水)和疏水(避水)口袋排列。

这些口袋非常适合水的初始结合——当MOF暴露在空气中时，水分子自然地与其结合。一旦最初的水分子被结合，随后的分子就会附着在最初的水分子上。

结果是充满水的“海绵”。但研究人员希望增加孔隙体积(这将为从空气中提取更多水提供空间)，同时仍保持吸引初始水分子所需的特殊环境。该团队还必须在设计中找到合适的最佳点：水需要与MOF结合，但不能太强，否则它永远无法解吸(从海绵中挤出)。

Gagliardi的团队运行计算机模拟以找到最终的答案：添加特殊的连接子延伸，本质上是在由两个碳原子构成的结构上的长臂，这将增加孔径，同时保留MOF最初具有的特殊水结合特性.

他们与加州大学伯克利分校的实验人员合作，以确保该材料能够以相对较低的成本合成。该团队还包括明尼苏达大学、通用电气和柏林洪堡大学的研究人员，目前正在扩大这种新型MOF的生产规模，并将其整合到他们的原型集水设备中。如果它在设备中的工作与在实验室中一样好，则意味着该设备可以收集比以前多得多的水。

“这是讨论、建模和实验的真正合作，”Gagliardi说。

接下来，该团队正在考虑对设计进行更多更改，并将集成机器学习，该机器学习可以筛选他们通过建模和实验获得的数据，以提供新的改进建议。最终，该设备可用于帮助在干旱地区作战的士兵或缺水地区的平民。

“希望我们能继续这些发现，最终帮助人们在干旱气候中获取水源，”她说。

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