金屬有機骨架(MOFs)作為一種新型的吸附劑，因其大的比表面積、豐富的不飽和中心、可調(diào)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和孔徑而在許多領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注，特別是它對水蒸氣的逐級吸收和適中的再生溫度使其在吸水應(yīng)用如散熱、吸附式熱泵和冷水機組、大氣集水和濕度控制等方面具有很好的應(yīng)用前景。在金屬基體上涂覆金屬有機骨架是金屬有機骨架應(yīng)用的一個重要研究方向。然而，現(xiàn)有的粘結(jié)劑包覆方法需要重復(fù)操作，不可避免地會堵塞MOF的孔隙，導(dǎo)致吸附容量降低。

來自上海交通大學(xué)的學(xué)者提出了一種無粘結(jié)劑的方法來構(gòu)建MOF-on-Metal結(jié)構(gòu)。以鋁基體溶解后的鋁離子為原料，通過原位合成Al基金屬氧化物薄膜(MIL-96和MIL-100)，在鋁基體上制備了生長良好的多晶Al-MOF層。本文對MOF涂層的形貌和化學(xué)成分進(jìn)行了系統(tǒng)的表征，并提出了一種pH控制策略來調(diào)節(jié)復(fù)合MOF的相對比例。重要的是，金屬氧化物-非金屬結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出超高的吸水量(192.5 g m?2)，這是所有已報道的干燥劑涂層金屬結(jié)構(gòu)中最高的，并且具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，對采用金屬-金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)的除濕熱泵系統(tǒng)的性能進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明，該系統(tǒng)的運行周期比采用粘結(jié)劑硅膠涂層的系統(tǒng)長80%，平均除濕量可達(dá)8.36g kg-1。
綜上所述，該方法能夠形成無粘結(jié)劑、低成本、高性能的MOF涂層，在高效節(jié)能吸附領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)文章以“Binder-Free Growth of Aluminum-Based Metal–Organic Frameworks on Aluminum Substrate for Enhanced Water Adsorption Capacity”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

圖1.MOF-on-Metal結(jié)構(gòu)的建立：a)雜化鋁基MOF的一步合成。b)MIL-96(Al)和MIL-100(Al)的晶體結(jié)構(gòu)。c)準(zhǔn)備好的樣品的照片(干燥前和干燥后)。d)在數(shù)碼顯微鏡下觀察樣品的橫截面形態(tài)。e)涂層與金屬基體之間的相互作用。

圖2.MOF-on-Metal結(jié)構(gòu)的表征：a)MOF涂層的SEM圖像。b)鋁襯底和MOF涂層之間的接合處的SEM圖像。c-e)MIL-96、MIL-100和MIL-110晶體的SEM圖像。f)橫斷面EDS映射圖像。g)MOF涂層粉末的X射線衍射圖譜。h)來自上層和襯底的粉末的FTIR圖案，覆蓋著一層非常薄的涂層。

圖3.不同初始pH值(pH=0.69，pH=0.46，pH=0.33，pH=0.23)下產(chǎn)物的表征。a-d)固體產(chǎn)品的掃描電鏡圖像。e)粉末X射線衍射圖譜。f)在不同pH值和(20°C)下合成的MIL-96(Al)、MIL-100(Al)、MIL-110(Al)和MOF涂層的吸水等溫線。

圖4.吸水性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的實驗裝置和結(jié)果。a)吹風(fēng)試驗的實驗裝置。b)試樣在氣流作用下的質(zhì)量變化,樣品在氣流作用下的質(zhì)量變化(為了對比，涂層樣品的質(zhì)量小于粘結(jié)劑涂層樣品的質(zhì)量)。c)20°C吹風(fēng)試驗前后MoFon-金屬層的吸水等溫線；d)吸水率與其他涂層金屬干燥劑吸水率的比較。

圖5.在pH=0.23時制備的固體產(chǎn)品的動態(tài)吸附-解吸試驗。

圖6.采用不同干燥劑的地源熱泵系統(tǒng)的模擬結(jié)果(有效除濕期是指送風(fēng)濕度低于室內(nèi)空氣所經(jīng)過的時間).
綜上所述，該方法實現(xiàn)了基板表面的全覆蓋、高成品率和高涂層密度、超高吸水率和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。與粘結(jié)劑技術(shù)相比，在基片上原位合成MOF涂層不僅避免了材料性能的衰減，而且成本低，易于操作，為MOF材料的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用提供了可能。因此，該新方法在高效吸附型應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如散熱、吸附式熱泵、大氣集水、濕度控制等。此外，利用金屬離子直接從金屬襯底上合成MOF，而不是使用外來金屬鹽，為MOF的大規(guī)模合成提供了一種新的途徑。

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