本研究由香港大学土木工程系的张凌月、李瑞英、郑爽、朱海、胡耀文、龙力、冯浩鹏以及唐楚阳（Chuyang Y. Tang）等人完成，通讯作者为唐楚阳。其他合作单位包括南开大学材料科学与工程学院和清华大学环境学院。该研究于2024年11月发表在《Nature Communications》上，论文标题为“Hydrogel-embedded vertically aligned metal-organic framework nanosheet membrane for efficient water harvesting”。
研究背景方面，水资源短缺是全球面临的重要环境挑战，气候变化和人口增长进一步加剧了这一问题。大气集水（atmospheric water harvesting，AWH）作为一种分散式水生产技术，能够在较宽的相对湿度（relative humidity，RH）范围内从空气中捕获水蒸气，特别适用于人口稀少和干旱地区的小规模供水。金属有机框架（metal-organic framework，MOF）材料因其高孔隙率、结构可调性和稳定性而受到广泛关注，其中水稳定的MOF如MIL-101(Cr)在AWH中表现出较小的吸附滞后。然而，单一组分MOF吸附剂的水吸收量有限，这限制了其更广泛的应用。为克服这一限制，研究者尝试将MOF与聚合物基底特别是水凝胶结合，制备复合吸附材料。但以往的方法面临溶剂体系不相容、MOF纳米片无规堆叠以及MOF层与基底结合力弱等问题。本研究旨在开发一种在壳聚糖/聚乙烯醇（chitosan/polyvinyl alcohol，CT/PVA）水凝胶膜上垂直定向生长MOF纳米片的复合膜，以实现超快大气集水和高吸水量。
研究流程方面，研究者首先利用聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）作为交联剂和表面活性剂，通过相转化法制备了CT/PVA水凝胶基底。PEG的引入使基底中C–O/C–N和C=O官能团含量增加，交联点在MOF合成溶剂环境（DMF和乙醇）中维持了水凝胶基底的稳定性。无PEG交联的原始基底在MOF合成溶剂中发生明显溶解并形成解链孔。随后，研究者将CT/PVA基底浸入含有Zn(NO₃)₂·6H₂O、吡嗪、PEG和四（4-羧基苯基）卟啉（tetrakis(4-carboxyphenyl)porphyrin，TCPP）的DMF/乙醇溶液中，在80 °C下反应24小时，制备了Zn-TCPP MOF纳米片垂直取向生长的复合膜（MOF-CT/PVA）。PEG在MOF生长阶段选择性吸附在纳米晶表面，抑制了各向同性生长，促进二维纳米片的定向生长。扫描电子显微镜显示膜表面形成了连续的花瓣状MOF层，纳米片厚度小于10 nm。原子力显微镜证实了剥离的Zn-TCPP纳米片厚度约500 nm。作为对比，研究者还制备了通过过滤剥离MOF纳米片形成的水平堆叠复合膜（HMOF-CT/PVA）。表征方面，傅里叶变换红外光谱显示MOF-CT/PVA中羧基的不对称和对称伸缩振动分别位于1604 cm⁻¹和1440 cm⁻¹，且1255 cm⁻¹处出现PEG中C–O键的伸缩振动，表明PEG与Zn-TCPP纳米片之间存在相互作用。X射线衍射谱图显示剥离的Zn-TCPP纳米片与块体Zn-TCPP具有相同的四方晶体结构，但复合膜上仅出现[004]晶面的宽衍射峰，证实了纳米片在基底上的平行取向。高分辨率透射电子显微镜显示纳米片具有1.32 nm的晶格条纹，对应[110]晶面。X射线光电子能谱C 1s谱图显示Zn-TCPP纳米片中C–O/C–N官能团含量显著增加，同时存在C=O官能团，证明PEG与CT/PVA水凝胶之间发生了交联反应。水接触角测试显示MOF-CT/PVA膜具有近零水接触角，表面自由能达81.4 mN m⁻¹。高速相机观察显示水滴在0.08秒内被MOF-CT/PVA膜完全吸收，而HMOF-CT/PVA和CT/PVA分别需要更长的时间。
在性能测试方面，研究者进行了动态水蒸气吸附实验。在25 °C和90% RH条件下，MOF-CT/PVA在15分钟内达到91.4%的饱和吸附量，水吸收量达4.44 g g⁻¹，而HMOF-CT/PVA为2.67 g g⁻¹，CT/PVA为2.08 g g⁻¹。在不同RH条件下，MOF-CT/PVA在30% RH时30分钟内水吸收量达1.21 g g⁻¹，且随着RH升高优势更加明显。研究者认为垂直取向MOF纳米片层增加了吸附剂-空气界面面积，形成了低弯曲度的快速水传输通道。计算流体动力学模拟表明，水平分布结构中水滴需要穿过或绕过多个气固界面，传质速率降低；而垂直MOF纳米片通道中的水分子在100 ns内完全到达水凝胶基底。此外，纳米片边缘和楔形区域的高曲率与较大孔隙之间的拉普拉斯压差促进了水的定向吸附。在太阳能驱动脱附方面，MOF-CT/PVA在1个太阳光照下10分钟内表面温度升至56.9 °C，10分钟内释放了97%的吸收水。在30分钟吸附和10分钟脱附的循环测试中，MOF-CT/PVA经过10个循环后平均水收集量为4.18 g g⁻¹，平均脱附率为97.4%，表现出良好的结构稳定性和耐久性。
研究结论方面，本研究通过PEG同时作为交联剂和表面活性剂，在CT/PVA水凝胶膜上实现了Zn-TCPP MOF纳米片的垂直定向生长。该复合膜具有超亲水性和超快水传输能力，在90% RH下水吸收量达4.44 g g⁻¹，且15分钟内达到91.4%的饱和吸附量。垂直取向纳米片层形成了定向水传输通道，增大了有效接触面积，并通过拉普拉斯压差促进了水的快速定向吸附。太阳能驱动脱附实验表明该膜在10分钟内可释放97%的吸收水，且经过10个循环后性能稳定。该研究为MOF与聚合物基底的复合制备提供了新策略，并为设计高效大气集水膜材料提供了潜在解决方案。
研究的亮点包括：提出了在聚合物水凝胶膜上垂直定向生长MOF纳米片的新方法，克服了传统溶剂体系不相容和MOF层与基底结合弱的问题；通过PEG的双重作用实现了交联和表面活性剂功能，促进了二维MOF纳米片的定向生长；垂直取向结构显著提高了吸附剂-空气界面面积和水传输速率，使复合膜在短时间内达到高水吸收量；通过计算流体动力学模拟和拉普拉斯压差分析揭示了垂直取向结构促进水传输的机理；该复合膜具有超亲水性、快速吸附-脱附动力学和良好的循环稳定性，在实际大气集水应用中具有潜力。
此外，研究还进行了放大制备实验，制备了浇铸厚度为1000 μm的MOF-CT/PVA-1000膜，在室内和室外环境中均表现出显著的水收集能力，表明该策略具有规模化应用的可行性。