不怕水的MOFs，不「水」的Science

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天然氣在運輸和使用之前需要脫水，以避免引起管道腐蝕和堵塞等問題。通常工業上使用乾燥劑例如活性氧化鋁或者無機分子篩來解決脫水問題。然而，這些材料的再生過程往往需要耗費大量能量，比如加熱到250 ℃以上的高溫處理。那麼問題來了，有沒有相對節省能源的方法么？

近日，阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的Mohamed Eddaoudi教授課題組在Science上發表文章，報道了一種含氟金屬-有機框架（MOFs）材料AlFFIVE-1-Ni（KAUST-8），能夠高效、高選擇性地除去天然氣中的水蒸氣。同時，這種材料只需約105 ℃熱處理即可實現循環使用，所需能量僅為傳統分子篩所需再生能量的一半。

帶有異域風情的Eddaoudi課題組合影。圖片來源：KAUST

KAUST-8除水示意圖。圖片來源：Eddaoudi教授課題組

或許研究MOFs的小夥伴會有疑問，用MOFs除水？不是說MOFs的水穩定性很菜的么？

的確，MOFs由於配位鍵較弱，通常被認為在水存在的環境下易發生水解而造成骨架坍塌。不過，近幾年科學家們通過修飾（如在配體中引入疏水基團、或在晶體表面覆蓋疏水層）等方法提高MOFs的穩定性。隨著研究的開展，出現了對水穩定的MOFs，上個月Science剛發表了一篇可以實現在空氣中收集水蒸氣的MOFs結構（點擊閱讀詳細）。

再來簡單介紹下KAUST和Eddaoudi教授。KAUST的建校歷史並不長，從2009年到現在僅僅8年。這座位於沙特港口城市吉達的研究型大學，研究資金極其充裕，擁有著世界頂尖的科研設備、實驗室和研究人員，被戲稱為「土豪大學」。當然，重金投入的KAUST科研成果也非常驚人，是目前世界上學術研究和論文被引用率增長最快的學術機構之一，也被稱為「阿拉伯的MIT」。Eddaoudi教授作為國際知名的材料學家，現任KAUST物理科學與工程學院先進薄膜和多孔材料研究中心主任，在MOFs等固態功能材料領域做出了不少貢獻。去年X-MOL曾報道過Eddaoudi教授課題組的MOFs材料KAUST-7，可分離分離丙烯/丙烷混合物，該論文一樣發表在Science上（點擊閱讀相關）。

猶抱MOFs半遮面的Eddaoudi教授。圖片來源：KAUST

回到這篇文章。天然氣主要成分是CH4，但也包括CO2、N2、H2O以及碳數更高的烴類等。在KAUST-8中具有鎳（Ni）和吡嗪構成的截面為方形的一維孔道，包含開放的金屬配位位點和氟（F）的周期性陣列。天然氣氣流進入孔道後，H2O分子通過氫鍵和F原子相互連接，而其他氣態分子則可自由通過，從而實現MOFs對天然氣中水蒸氣的選擇性吸附。

MOFs吸水、再生過程的理論計算及NMR測試，來源：Science

KAUST-8的熱穩定性以及水穩定性都很好，其晶體結構在加熱至400 ℃或者置於相對濕度95%的環境中都不會發生改變（下圖A）。KAUST-8的吸水能力也十分優秀，在實驗條件下可達到22 wt.%，同樣條件下高於常見的吸附劑硅膠和沸石（3A、4A、5A、13X）（下圖C），而且經過多次吸附-脫附循環沒有明顯降低（下圖D）。另外，與沸石3A、4A、5A相比，KAUST-8對水的吸附熱（Qst）要明顯更低，這使得它在較低的溫度下（約105 ℃）就能實現水蒸氣的完全脫附從而再生，而沸石材料的脫附溫度幾乎要高1.5倍（約250 ℃）（下圖C）。另外，作者發現在KAUST-8結構中，H2O和CO2分子具有不同吸附位點，因此，通過二者的同時吸附，可以實現氣體中H2O和CO2的同時去除。

MOFs材料的穩定性和吸水性。圖片來源：Science

「起初，我們的目標是在MOFs中引入F元素，在收縮的孔隙中能將規則排列的金屬和含氟中心引入進來，以實現各種關鍵的分離，」 Eddaoudi教授接收採訪時說，「不過我們發現了KAUST-8這種MOFs材料不但可以在水中穩定存在，還具有獨特的吸水性能及優異的吸附-脫附循環能力。可以實現氣體的脫水，滿足工業輸送的需要。」

——小結——

這篇Science工作老實說並不難，但是文章的突破點選擇的非常好。能源以及功能新材料本身都是研究熱點，而從「除去天然氣中的水蒸氣並腰斬能耗」這個角度撰寫論文，突顯了工作的應用潛力，亮點突出。另外，如果MOFs能逐漸實現在水等溶液中穩定存在，那麼今後在氣態、液態吸附，甚至噴墨列印等領域的應用和研究可能會越來越多。

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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