高分子科学前沿11月27讯：用于高效水收集的垂直排列MOF纳米片水凝胶膜成果简介

近日，香港大学土木工程系张龄月博士为第一作者、汤初阳教授为通讯作者的研究成果以“Hydrogel-embedded Vertically Aligned Metal-Organic Framework Nanosheet Membrane for Efficient Water Harvesting”为题，发表在著名综合性学术期刊Nature Communications。该论文针对单组分MOF的有限吸水率，提出在水凝胶基底膜表面定向生长垂直的MOF纳米片层，实现高效水汽捕集和太阳能驱动集水。

引言

空气水捕集（AWH）是分布式供水的重要方式之一，与传统集中供水相比，AWH为小规模产水提供了一种可行的解决方案，特别是在人口稀少和干旱地区。由于具有多孔结构和亲水性能，MOF材料被认为是AWH的理想吸附材料。然而，有限的吸水率和保水能力，是一直以来限制MOF材料广泛应用的重要因素。将MOF与聚合基底结合能够有效提高水汽捕集和吸水效率，但二者溶剂体系的冲突和MOF材料剥离的困难，始终是研究领域的关键技术难题。

本研究提出了一种在水凝胶基底膜表面定向生长垂直的MOF纳米片层的制备策略。聚乙二醇（PEG）在水凝胶膜的制备和MOF的定向生长过程中分别充当交联剂和表面活性剂，巧妙地实现了聚合基底在MOF生长过程中的稳定以及纳米片形貌调控。所合成的MOF-CT/PVA膜具有稳定的灵活性和高比表面积，能够实现高效水汽捕集和太阳能驱动水收集。

图文导读

水凝胶膜上MOF纳米片层的制备

研究首先以PEG作为交联剂，制备了稳定的CT/PVA水凝胶基底膜。与未交联的水凝胶膜相比，CT/PVA能够在MOF溶剂体系中保持稳定的形貌和性能。此外，由于PEG具有亲水性和疏水性官能团，其在MOF的生长过程中吸附在纳米晶体表面以及水/有机体系界面，使得MOF垂直排列在水凝胶膜表面。得益于纳米片层的定向生长，所制备的MOF-CT/PVA膜在卷曲和折叠测试中具有较高的柔韧性和稳定性。

图1 MOF-CT/PVA制备及形貌表征

小结

本研究巧妙地采用PEG作为交联剂和表面活性剂，实现了垂直排列的MOF纳米片在水凝胶膜上的定向生长。这种制备策略克服了复合集水材料，尤其是MOF和水凝胶溶剂系统冲突带来的挑战。所构建的MOF-CT/PVA复合集水膜能够实现较高的空气集水能力。本研究提出的协同合成策略为在聚合物膜上构建MOF层提供了一种可行的方案，可广泛应用于后续多功能先进材料的开发。（本刊有删节）详情见高分子科学前沿公众号

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54215-z#citeas