金屬有機框架復(fù)合酚醛樹脂基整體式親水炭應(yīng)用于空氣水捕集

唐宋元， 王永勝， 原亞飛， 巴雅琪， 王立秋， 郝廣平， 陸安慧

（大連理工大學(xué) 化工學(xué)院，精細化工國家重點實驗室，遼寧省低碳資源高值化利用重點實驗室，遼寧 大連 116024）

1 前言

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會報告指出，由于缺乏河流、湖泊和地下水等水源，全世界有32億人處于缺水狀態(tài)，亟需尋找可利用的水資源解決這一全球性的問題?？諝馑都墙鉀Q水資源短缺問題的一種有效策略。目前，最先進的空氣水捕集材料已證明了在超高相對濕度(=100%)下，采用霧滴收集法和冷凝結(jié)露法從空氣中直接收集液態(tài)水的可能性。然而，霧滴收集法需要持續(xù)的100%相對濕度的空氣，冷凝結(jié)露法在低相對濕度的環(huán)境中能耗較高，這對裝置所處的地理位置和時間要求苛刻，因此，現(xiàn)有的水捕集技術(shù)僅限于高相對濕度和溫度區(qū)域。

以多孔材料為基礎(chǔ)的吸附法水汽捕集技術(shù)，在干旱、相對濕度低的氣候下，具有比霧氣捕集更高的產(chǎn)率和比冷凝結(jié)露更高的熱效率。吸附式空氣集水系統(tǒng)可以分為每天運行單次循環(huán)的被動再生型和利用主動輔助系統(tǒng)加熱每日運行多次循環(huán)的主動再生型。每日單次循環(huán)的被動再生型裝置的吸附劑可以通過太陽能加熱再生，并在環(huán)境溫度下發(fā)生冷凝，因此裝置結(jié)構(gòu)簡單能耗也較低，其關(guān)鍵在于構(gòu)建具有較高吸附量、較低的脫附溫度以及良好的水熱穩(wěn)定性的高性能吸附劑。先前的研究表明，使用晶態(tài)材料如金屬有機框架(MOFs)、沸石等作為吸附劑具有較高的水蒸汽捕集效率，空氣水捕集裝置可以在相對濕度在10%～40%的干旱環(huán)境中捕集水汽，借助太陽光照在較低的溫度(65 °C)下發(fā)生解吸。然而，由于強化學(xué)作用、孔道限制等因素，這類晶態(tài)材料大多存在光熱轉(zhuǎn)換率低或吸附劑再生困難等問題。此外，MOFs大多水穩(wěn)定性較差，在高濕度下難以長期穩(wěn)定使用。

（2）開封：集裝箱進場站后，對集裝箱門上完好無損的電子鉛封開封的具體過程如下：將手持式開封器接近電子鉛封；開封器讀取鉛封中的ID號、集裝箱號、車牌號、起始海關(guān)、終點海關(guān)；開封器向場站計算機發(fā)送鉛封信息。場站計算機將集裝箱號、鉛封ID號、密碼和開封請求傳到監(jiān)控中心；監(jiān)控中心按解密程序檢查電子鉛封的真?zhèn)危⑾鄳?yīng)地返回真?zhèn)谓Y(jié)果；并在數(shù)據(jù)庫中記錄信息；場站計算機通過無線頻道向開封器發(fā)送驗證信息；若驗證通過，則從集裝箱門上取下電子鉛封，本鉛封打開后即被當場銷毀；如果為拒絕命令，屬問題處理。

多孔炭材料由于具有良好的導(dǎo)熱性、孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)可控以及良好的水熱穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于吸附、分離、催化、儲能等領(lǐng)域。酚醛樹脂是一種常見的炭前驅(qū)體，因其衍生的炭材料具有豐富且易于調(diào)控的孔道結(jié)構(gòu)、良好的機械強度、便于大批量制備的合成方法以及相對低廉的價格等優(yōu)勢，被廣泛用于炭材料的制備。近年來，研究者通過合理設(shè)計和精確控制表面化學(xué)、孔隙結(jié)構(gòu)等方法實現(xiàn)對酚醛樹脂衍生炭材料親水性的加強，但此類炭材料經(jīng)過增強后的親水性仍不佳，不利于對極性分子的親和而限制了其應(yīng)用。前期研究表明，Cu與4,4′-聯(lián)吡啶配位聚合物衍生炭材料具有0.76 nm的極微孔和大量 O、N摻雜的孔壁，在 25 °C、相對濕度為20% 的條件下，水蒸汽吸附量可達 9.82 mmol·g。然而，該材料產(chǎn)率低、原料較為昂貴且產(chǎn)品為粉末狀需要后續(xù)的成型步驟，限制該親水炭材料的進一步應(yīng)用。

因此，在本研究中，作者提出了一種親水強化的策略，選用具有高度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的酚醛樹脂作為基底材料，通過在骨架中原位生長可生成親水位點的前驅(qū)體，實現(xiàn)親水整體式炭材料的制備。在25 °C、相對濕度40%的條件下，代表性樣品的水蒸汽吸附量可達 7.3 mmol·g；應(yīng)用于太陽能驅(qū)動的吸附式空氣水捕集裝置，一個集水循環(huán)中吸附劑的水汽捕集量達到 190 g·kg，這為后續(xù)構(gòu)建高性能空氣水捕集炭質(zhì)吸附劑提供新的思路。

2 實驗

2.1 材料制備

間苯二酚、無水碳酸鈉、二水合氯化銅、37%甲醛水溶液、濃硝酸，購自國藥試劑有限公司；4,4′-聯(lián)吡啶，購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。所有藥品均未經(jīng)純化處理，直接使用。

為了明確是否在聚合物中引入了MOFs，對親水炭材料的前驅(qū)體進行XRD表征(圖2a)。樣品BR1表現(xiàn)出典型的無定形的峰，而樣品CuBR1譜圖中具有與理論Cu-MOF一致的衍射峰，表明聚合物 CuBR1 中 Cu與 4,4′-聯(lián)吡啶配位形成了結(jié)晶態(tài)的聚合物，證明了Cu與4,4′-聯(lián)吡啶配位的MOFs被成功引入了酚醛樹脂高度交聯(lián)的骨架中。CuBR1-700的XRD譜圖在43.3°、50.4°和74.1°具有明顯的衍射峰，對應(yīng)為Cu的特征峰，36.4°、42.3°和 61.3°衍射峰對應(yīng)為 CuO 的特征峰，表明聚合物中的Cu在熱解過程中一部分被還原成Cu單質(zhì)，另一部分與聚合物中的氧形成了氧化物。而CuBR1-700-AW由于經(jīng)過了酸洗，Cu及其氧化物顆粒被洗去，僅有炭材料的石墨化特征衍射峰(圖2b)。

圖1 親水炭材料的制備: (a) 制備示意圖, (b) 前驅(qū)體和炭材料實物圖Fig.1 Fabrication of hydrophilic carbons: (a) Synthesis scheme and (b) digital photos of carbon precursors and products.

2.2 表征方法

足球本身的魅力也吸引著越來越多的大學(xué)生足球愛好者.足球是一項只要愛上了，就欲罷不能，終身性的體育運動.在這個“一機在手，天下我有”的時代，足球這項運動無疑可以幫助大學(xué)生擺脫手機成癮，走進社會生活.足球也是一項簡單易行，集體性的運動項目，通過它可以培養(yǎng)出堅韌不拔的品性和如何更好地與人交流合作.

［1］陳新謙，金有豫主編 .新編藥物學(xué)［M］.第13版.北京:人民衛(wèi)生出版社，1992:181-184.

2.3 性能測試

將材料充分研磨后，取粒徑＜200目的樣品50 mg，置于樣品瓶中，加入約 15 mL 去離子水，超聲10 min。靜置，觀察顆粒沉降分層情況。通過沉降速度對比其親水性能差異。

采用日立高新技術(shù)公司SU8200型掃描電子顯微鏡(SEM)表征微觀形貌，采用Micromeritics公司Tristar3000型物理吸附分析儀測量77 K時氮氣吸附等溫線，采用Quantachrome公司Autosorb-iQMP型物理吸附分析儀測量273 K二氧化碳吸附等溫線，采用Quantachrome公司Vstar 4 Turbo蒸汽吸附分析儀測量298 K時水蒸汽吸附等溫線，采用PANalytical公司X′Pert3 Powder型粉末X射線衍射儀(XRD)進行物相分析，采用 Thermo Fisher公司 Nicolet-6700 紅外光譜儀進行樣品表面官能團分析。

如圖2所示，將項9過渡套安裝到項8平衡套筒中，通過項7螺栓把合，將項10平衡球安裝到項9過渡套中，將項12壓板利用項11螺栓把合固定在項8平衡套筒上，從而使項12壓板限制項10平衡球的軸向移動，利用項4雙頭螺柱和項5螺母將項8平衡套筒把合在項2過渡法蘭上，項8平衡套筒和項2過渡法蘭中間墊上等高度的項3U型墊片用于調(diào)整轉(zhuǎn)輪重心高度，將項2過渡法蘭通過項1螺栓把合在轉(zhuǎn)輪上形成平衡機構(gòu)，平衡機構(gòu)整體通過項10平衡球放在項13底座上進行試驗。

以飽和鹽溶液法模擬水蒸汽吸附流程，采用自行搭建的“三明治”型空氣水捕集裝置完成脫附、收集，測試材料的空氣水捕集性能。在密封的環(huán)境中，放置不同的飽和鹽溶液，模擬特定濕度的環(huán)境，材料在其中放置一夜模擬吸附流程。該空氣水捕集裝置的基本結(jié)構(gòu)主要包含殼體及隔熱層、吸附床層、冷凝器三部分。殼體部分采用亞克力塑料板材作為基本結(jié)構(gòu)材料，殼體外部四周使用隔熱棉作為保溫材料。吸附床層處選用合適的載體或容器承載吸附劑。冷凝器由銅板和塔式散熱器組成，銅板內(nèi)嵌于殼體，銅板外接銅管、散熱片組成的塔式散熱器。材料在裝置內(nèi)完成空氣水捕集的脫附、收集流程。

③自從人類有了旅游活動，便出現(xiàn)了旅游文化，而旅游經(jīng)濟則是在人類進入商品經(jīng)濟社會以后在19世紀中葉才出現(xiàn)的，所以說旅游文化是一個比旅游經(jīng)濟古老的多的概念，旅游文化的產(chǎn)生是先于近代大規(guī)模旅游經(jīng)濟活動產(chǎn)生而產(chǎn)生的。從產(chǎn)生之日起，旅游文化就滲透于社會文化的各個領(lǐng)域，以不同的方式展現(xiàn)其特有的個性；同時作為一種特殊的文化形態(tài)，旅游文化在歷史發(fā)展過程中以繼承和創(chuàng)新的兩條根本路經(jīng)不斷豐富著自己所包含的具體內(nèi)容。

3 結(jié)果與討論

3.1 材料結(jié)構(gòu)與形貌特征

將間苯二酚、碳酸鈉溶于去離子水中，加入37%甲醛水溶液，65 °C下攪拌2 h使間苯二酚與甲醛預(yù)交聯(lián)。隨后，將4,4′-聯(lián)吡啶溶于少量乙醇中，二水合氯化銅溶于少量去離子水中，依次加入上述間苯二酚和甲醛的預(yù)聚溶液中，攪拌均勻，隨后密封條件下 90 °C 老化 12 h，形成紅棕色聚合物，命名為CuBR1。合成過程中Cu、4,4′-聯(lián)吡啶、間苯二酚、甲醛、NaCO的摩爾比為1∶1.5∶6∶12∶0.012，間苯二酚在溶液中的濃度為 0.5 mol·L。將得到的聚合物在 50 °C 干燥24 h 后，在 Ar氣氛下熱解，以 3 °C·min升溫至700 °C 并停留 2 h，再經(jīng) 4 mol·LHNO酸洗，干燥后得到最終樣品。進一步，改變熱解溫度為500、900 °C，擴大二水合氯化銅和 4,4′-聯(lián)吡啶的加入量使Cu、4,4′-聯(lián)吡啶、間苯二酚的摩爾比為 2∶3∶6和4∶6∶6，考察了熱解溫度和MOF在聚合物中所占的不同摩爾比對最終炭材料的親水性的影響，樣品命名為CuBRx-y，其中x為加入的Cu摩爾量的比例系數(shù)，y為熱解溫度，后綴AW表示經(jīng)過酸洗。作為對照，在聚合物合成過程中，不加入二水合氯化銅和4,4′-聯(lián)吡啶，樣品命名為Rx-y；不加入二水合氯化銅，樣品命名為BRx-y。合成過程原理示意圖(圖1a)與炭前驅(qū)體和炭材料的實物圖(圖1b)如下。

圖2 (a) 炭前驅(qū)體和 (b) 炭材料酸洗前后的 XRD 譜圖, (c) N2 和 (d) CO2 吸脫附等溫線 (嵌圖為對應(yīng)的孔徑分布圖), (e) CuBR4 的 SEM 照片,(f) 水蒸汽吸脫附等溫線, (g) CuBR1-700與CuBR1-700-AW隨時間沉降效果對比圖Fig.2 (a) XRD patterns of precursors and (b) carbon materials before and after pickling, (c) Nitrogen and (d) Carbon dioxide adsorption/desorption isotherms(Inset: the corresponding pore size distribution of samples), (e) SEM image of sample CuBR4, (f) Water vapor adsorption/desorption isotherms,(g) Settlement comparison of samples CuBR1-700 and CuBR1-700-AW.

通過 N(77 K)與 CO(273 K) 吸附分析酸洗前后的炭材料孔結(jié)構(gòu)(圖2c, d)。材料酸洗前后，都具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)，在低相對壓力下(/＜0.2)吸附量高達 200 cm·g。在高相對壓力處(/＞0.8)，吸附量有急劇的上升，表明樣品具有大孔或堆積孔的結(jié)構(gòu)(圖2c插圖)。脫附支在中壓段沒有出現(xiàn)明顯回滯，說明樣品沒有明顯的介孔結(jié)構(gòu)。根據(jù)BET法計算的CuBR1-700和CuBR1-700-AW 的比表面積分別為 826 m·g和705 m·g，樣品孔結(jié)構(gòu)參數(shù)匯總見表1。酸洗后樣品N低壓段(/＜0.2)吸附量相比酸洗前降低約12%，表明其比表面積和孔容略降低，可能是硝酸的強氧化性導(dǎo)致炭材料的邊緣產(chǎn)生了含氧官能團，從而降低了孔容和比表面積，進一步對酸洗前后的樣品進行紅外光譜圖表征(圖S1)，樣品 CuBR1-700-AW 在 1 050、1 470 和 1 375 cm出現(xiàn)伸縮振動峰信號的明顯增強，分別對應(yīng)為C―OH、C―O―C基團的特征峰，表明酸洗能明顯的增加炭材料表面的含氧官能團。然而，CuBR1-700-AW材料的CO吸附量在100 kPa時相比酸洗前提升約 6%，達到 76 cm·g。因為炭材料中的銅以及銅的氧化物顆粒被洗去，形成了有利于吸附CO的微孔結(jié)構(gòu)，由于CO的分子動力學(xué)直徑 (0.33 nm)小于 N(0.36 nm)，N無法進入其孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了N吸附量下降。

表1 代表性樣品的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Textural parameters for typical samples.

進一步通過SEM對樣品CuBR4的微觀形貌進行觀察(圖2e)，可以看到明顯的海綿狀酚醛聚合物骨架，其中Cu與4,4‘-聯(lián)吡啶配位得到了長條棱柱狀晶態(tài)結(jié)構(gòu)，其分散在酚醛聚合物骨架中。MOF加入量較少的聚合物前驅(qū)體CuBR1沒有明顯的晶態(tài)結(jié)構(gòu)(圖S2)。在酸洗后材料的SEM照片(圖S2b)中，可以看到海綿狀的炭骨架，相比前驅(qū)體中更為有序，且未發(fā)現(xiàn)晶態(tài)結(jié)構(gòu)形成的炭化物，說明Cu與4,4′-聯(lián)吡啶形成的MOF在酚醛聚合物中高度分散且尺寸較小，沒有破壞酚醛衍生炭骨架的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，這也使得該材料保持了較好的機械強度。

通過靜態(tài)水汽吸附測試樣品的親水性，圖2f為樣品在298 K下水蒸汽靜態(tài)吸附測試的結(jié)果。CuBR1-700在RH＜30%時吸附量明顯低于酸洗后的樣品，說明CuBR1-700表面呈現(xiàn)出疏水特性，當=30%～50%時，吸附量有一個明顯的上升，吸附量達到了 8 mmol·g，表明隨著壓力的升高，水分子不斷的填充入CuBR1-700材料的微孔。＞50%之后，吸附量隨相對濕度升高變化較小，表明材料沒有明顯的介孔和大孔。對于CuBR1-700-AW，吸附量快速上升，在=30% 時，水汽吸附量就已達到 8 mmol g，表明酸洗后的材料親水性明顯提升。這是由于材料經(jīng)過硝酸酸洗后，炭材料中的銅顆粒被洗去，形成了一些超微孔結(jié)構(gòu)有利于提供水汽吸附位點。此外，硝酸的氧化性在炭材料的邊緣引入了一些含氧極性官能團，提高了炭材料表面極性，實現(xiàn)對水分子超親和的性質(zhì)。

Black-Scholes方程的結(jié)果顯示，在運算過程中對于漂移項采用消除處理方法，即漂移項代表風(fēng)險期望收益率。故證券價格未來變化與人們對其預(yù)測行為并無關(guān)聯(lián)，投資者的風(fēng)險偏好對期權(quán)價格的影響微乎其微。

為了進一步驗證經(jīng)酸洗前后材料親水性實際提升的效果，將酸洗前后的材料分別分散于超純水中(圖2g)。將兩者顆粒大小均控制在200目以下，并且使之在水中均勻分散。30 min后CuBR1-700樣品開始沉降，而CuBR1-700-AW仍均勻的分散在水中。到120 min，CuBR1-700進一步沉降，而樣品CuBR1-700-AW仍在水中保持良好的分散，沒有發(fā)生沉降現(xiàn)象。直到360 min時，CuBR1-700樣品基本沉降到底部，而樣品CuBR1-700-AW此時開始發(fā)生沉降。表明酸洗后產(chǎn)生的極微孔位點和引入的表面極性官能團，提高材料的親水性，因此降低了沉降速度。

為分析主跨混合梁長度比例對橋梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響，以主跨鋼-混凝土混合梁中鋼箱梁段長度為主要參數(shù)進行參數(shù)分析。參數(shù)范圍主要依據(jù)主跨鋼箱梁段長度96 m(左、右側(cè)鋼混結(jié)合段處預(yù)拼鋼箱梁長度各3 m，整體吊裝鋼箱梁段長度90 m)為基準，并結(jié)合國內(nèi)外同類型橋梁混合梁長度比例為參考來確定，考慮整體鋼箱梁長度取為主跨(240 m)的0.2～0.5之間變化，按56 m、66 m、76 m、86 m、96 m、106 m、116 m、126 m這一系列不同的鋼箱梁長度參數(shù)進行變化[12]，其他參數(shù)均相同。由此來建立相對應(yīng)的有限元模型探討大跨度空腹式鋼-混凝土混合連續(xù)梁橋主跨混合梁長度比例參數(shù)規(guī)律。

3.2 熱解溫度與MOF加入量對親水性的影響

不同的熱解溫度會對炭材料的雜原子摻雜程度和微孔孔道產(chǎn)生影響，可以通過控制熱解溫度調(diào)控炭材料表面親疏水特性以及水蒸汽吸附效果。因此進一步探究不同熱解溫度(500 °C、700 °C、900 °C)下制備的炭材料氣體吸附特性，由N吸附等溫線可知(圖3a)，隨著熱解溫度的升高，樣品在中低相對壓力下(/＜0.2)的吸附量逐漸升高，表明樣品的微孔孔容和比表面積增大。

CuBR1-700-AW的水蒸汽平衡吸附曲線介于純酚醛樹脂衍生炭材料R1-700-AW和純Cu-MOF衍生炭材料CuB-700-AW之間。另外，進一步制備了只有4,4′-聯(lián)吡啶摻雜酚醛樹脂基炭材料BR1-700-AW，相比于樣品CuBR1-700-AW其對水分子的親和力下降，說明親水性的提升并非單獨通過加入4,4′-聯(lián)吡啶摻雜更多的N元素帶來，而是Cu與4,4′-聯(lián)吡啶配位結(jié)構(gòu)，在炭化過程中，可以殘留更多的N摻雜位點，也會進一步“錨定”更多的Cu位點，其在熱解過程中團聚析出，酸洗后在表面形成了極性缺陷位，提升了材料的親水性。在水汽吸附方面，純MOF衍生炭材料CuB-700-AW雖然有著較高的親水性，但其宏觀形貌為粉末形態(tài)，不便于大批量合成，并且原料成本也相對較高。通過在酚醛聚合物前驅(qū)體中引入少量Cu-MOF，使酚醛樹脂基炭材料具有了這種超親水炭材料的親水位點，與化學(xué)表面修飾相比親水性提升更大。

由水蒸汽吸附等溫線可知(圖3b)，在低相對濕度(＜20%)下，CuBR1-500-AW吸附量較大，說明較低的熱解溫度使樣品炭材料表面和孔壁保留了更多的雜原子摻雜，因此孔道對水分子具有更高的親和力；在相對濕度=20%～40%處，吸附量都隨相對濕度上升出現(xiàn)陡升；＞40%后吸附量緩慢上升。此外，＞40%后熱解溫度越高吸附量也越大，表明熱解溫度升高有利于樣品產(chǎn)生更加豐富的孔道結(jié)構(gòu)，這與N吸附的結(jié)果一致。因此，較低的熱解溫度有利于提高炭材料親水性，這是由于相對低的熱解溫度在炭壁上保留了較多的親水位點；但高熱解溫度可以增大孔容，提高水汽吸附量，因此需要選擇合適的熱解溫度去平衡炭材料的親水性和水汽捕集容量。

隨后，進一步調(diào)控了前驅(qū)體中Cu-MOF與酚醛樹脂原料的物質(zhì)的量配比，探究親水位點在炭骨架中密度增加對水蒸汽吸附性能的影響。N吸附等溫線表明，當親水位點密度增加時，比表面積和微孔孔容基本保持不變(圖3c)。隨著親水位點在交聯(lián)骨架中的密度提高，材料在低相對濕度段的水汽吸附等溫線的斜率增加，表明提高親水位點密度可以增加炭材料對水分子的親和力，但是親水性增加有限(圖3d)。同時，樣品的機械強度與前驅(qū)體酚醛骨架中MOFs的含量相關(guān)。前驅(qū)體中MOFs與酚醛骨架的質(zhì)量比約為1∶2的樣品CuBR1-700-AW的強度可達0.92 MPa。繼續(xù)提高前驅(qū)體中MOFs含量到1∶1、2∶1時，抗壓強度降低，CuBR2-700-AW和CuBR4-700-AW均低于0.3 MPa。因此在前驅(qū)體中引入過多的MOF使炭材料的強度變差，不利于后續(xù)的處理和應(yīng)用。另外由于4,4′-聯(lián)吡啶原料價格較高，因此在這些不同配比中，選用較少MOF加入量的方案，在基本不影響多孔炭材料親水性的前提下，還能獲得較高的機械強度和較低的成本。

圖3 不同熱解溫度與不同 MOF 含量樣品的 (a, c) N2 吸脫附等溫線和 (b, d) 水蒸汽吸附等溫線Fig.3 (a, c) Nitrogen adsorption/desorption isotherms and (b, d) water vapor adsorption for samples of different pyrolysis temperatures and different MOF ratios.

3.3 Cu-MOF復(fù)合在材料親水性提升中的作用

為了進一步探究在酚醛骨架中引入Cu-MOF對炭材料的親水性影響，在前驅(qū)體的合成過程中不添加Cu和4,4′-聯(lián)吡啶，其對應(yīng)樣品的水蒸汽吸附等溫線(圖4和圖S3)如下。

圖4 不同條件制備的炭材料樣品的水蒸汽吸附等溫線Fig.4 Water vapor adsorption isotherms of different carbon samples.

文中總結(jié)歸納了國外的一些關(guān)于開洞板柱結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗沖切試驗，結(jié)合各國的抗沖切承載力的設(shè)計公式，將得到的抗沖切承載力的設(shè)計值和試驗中的實際值進行對比分析，為我國規(guī)范的修訂提供參考。

3.4 空氣水捕集性能測試

為了測試合成的炭材料在空氣水捕集中的性能，設(shè)計了便攜式空氣水捕集裝置。該裝置的基本結(jié)構(gòu)為“三明治”式 (圖5a, b)，在一個殼體結(jié)構(gòu)中放置吸附劑層和冷凝區(qū)，經(jīng)過夜間吸附了水蒸汽的吸附劑，白天在太陽光的照射下，從空氣/吸附劑界面產(chǎn)生的蒸汽自吸附劑表面流出，由蒸發(fā)室向下傳遞，然后在冷凝器表面以液態(tài)水形式被收集。

圖5 太陽光照下空氣水捕集: (a) 裝置結(jié)構(gòu)示意圖, (b) 裝置實物圖,(c) 實驗過程中吸附劑層紅外圖像, (d) 冷凝器處收集的水,(e) 實驗中裝置不同區(qū)域溫度變化Fig.5 AWH under sunlight irradiation: (a) Scheme for the structure of AWH apparatus, (b) Digital photo of AWH apparatus, (c) Infrared photo of adsorbent, (d) Collected water on the condenser, (e) Temperature change of parts of AWH apparatus.

實驗中使用的親水炭材料為CuBR1-900-AW，將其暴露在飽和鹽溶液法模擬的25 °C、RH 70%環(huán)境中過夜，吸附飽和的吸附劑增重約19%。在裝置中安裝吸附床，在實際太陽光照射下開始空氣水捕集試驗。經(jīng)2 h的太陽光照射，水蒸汽脫附并冷凝，在冷凝器處可見明顯的水滴凝結(jié)(圖5d)。在一個循環(huán)中吸附劑的水汽捕集量為 190 g·kg。

此外，拍攝了吸附劑層在光照過程中的紅外圖像，以觀察其在測試過程中的表面溫度變化(圖5c)，同時監(jiān)測了裝置腔體內(nèi)部和冷凝器處的溫度(圖5e)。在陽光的照射下，吸附劑層溫度可以達到80 °C以上，并達到84.7%的脫附效果。與文獻中報道的水捕集炭材料相比(表S1)，本文制備的親水炭不僅有更高的水蒸汽吸附量，并且結(jié)構(gòu)為整體式具有操作方便的優(yōu)勢。此外，測試了樣品CuBR1-700-AW在低濕度條件下的捕集性能。將樣品放置于25 °C、25% RH的環(huán)境中，記錄材料吸附質(zhì)量隨時間的變化，測試時間為12 h。最終，材料質(zhì)量增加約6.8%。這與在該濕度條件下的平衡吸附量（7.3%）接近。隨后，測試了水汽脫附性能，將吸附劑加熱到 100 °C，2 h 可脫附約98%，脫附能耗顯著低于強極性吸附劑，表明該類型材料在低濕度條件下也有應(yīng)用潛力。

4 結(jié)論

通過復(fù)合親水強化策略，在酚醛樹脂聚合物骨架通過原位生長引入金屬有機配位框架結(jié)構(gòu)，制備了表面親水性可調(diào)的整體式多孔炭。實驗表明對熱解后的炭材料進行酸洗不僅可以除去金屬納米顆粒，形成微孔通道，還能在孔壁形成強極性位點。該方法制備的親水炭材料用于太陽能驅(qū)動的吸附式空氣水捕集，表現(xiàn)出190 g·kg的水汽捕集性能。該交聯(lián)骨架親水強化的策略不僅提升了炭材料的親水性，同時保持了良好的機械強度和整體式形態(tài)，并降低了整體材料成本，對整體式炭材料親水性調(diào)控提供了新的思路。進一步通過提升材料微孔孔容和表面極性，增強材料的水蒸汽吸附量；并通過優(yōu)化多級孔結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用提升傳質(zhì)效率，以提高吸附與脫附過程的速率，是后續(xù)的一個研究方向，有待進一步深入探索。

感謝國家自然科學(xué)基金項目（21975037）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助（DUT18RC（3）075）；遼寧省興遼英才計劃項目資助（XLYC1807205）。