室内相对湿度在人类日常生活中起着举足轻重的作用，与人类的健康息息相关。根据ASHRAE的建议，健康舒适的室内相对湿度为45%-65%。传统的吸水材料，在吸附-脱附过程中的能量效率较低，且滋生易细菌。金属有机骨架材料（MOFs）是一种兼具高结晶性和多孔性的新型材料，通过金属离子或金属簇与有机配体周期性地连接而构成，在气体分离、气体储存、催化和传感等方面显示出巨大的潜力。长期稳定性和高吸水率的MOF材料在集水，吸附式热泵（AHP）和干燥剂冷却系统（DCS）方面具有广阔的前景。
近日，北京理工大学的王博教授（点击查看介绍）课题组首次设计合成了一种水稳定的具有规则介孔结构的钒基MOF材料BIT-66，并系统研究了该材料在室内湿度调控及抑菌方面的性能。研究表明，该材料具有自主水吸附-脱附和光催化抑菌双重性能，可用于室内湿度调控，尤其在航天飞机机舱和潜艇等密闭空间。
图1. BIT-66性能及应用场景示意图
设计永久多孔的高吸水材料，兼具抑菌性能，极具挑战性。研究人员选用钒金属盐和刚性羧酸有机配体H3BTB，通过水热法合成了BIT-66材料。其中，每个三核{V3(O)3(H2O)(COO)6} SBU包含一个配位水分子，提供了初步的水吸附位点。每个SBU与六个H3BTB配体连接形成3D骨架，该骨架具有六边形孔道，孔道的最大尺寸约为2.58 nm，比表面积高达1417 m2 g-1。
研究人员测试了BIT-66的吸水特性，发现随着相对湿度增加到55%，吸附水量缓慢增加，随后在55%-65%的相对湿度范围内出现急剧上升，且吸水和放水的区间为45%-65%，符合ASHRAE建议范围。MOF最大吸水量可达71 wt%（0.71克/克）。在50个水蒸气吸附-解吸循环中，BIT-66保持其结构完整性和高效水吸附性能。
图2. BIT-66的结构及吸水性能
杀菌实验结果表明，可见光（400 nm < λ < 780 nm）照射1小时后，BIT-66对大肠杆菌的杀灭效率达到96%，远大于商用吸水调湿材料MCM-41（55%）。通过ICP-OES和光催化杀菌实验，研究人员验证了BIT-66优异的抑菌性能主要来自于光催化产生的活性氧自由基，而不是释放的V4+。
图3. BIT-66抑菌性能及光催化机理
相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。该成果的第一作者为王博教授课题组的博士研究生马豆。东北师范大学郎中玲博士在单晶数据模拟方面给予了很大帮助。
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A Hydrolytically Stable V(IV)-Metal-Organic Framework with Photocatalytic Bacteriostatic Activity for Autonomous Indoor Humidity Control
Dou Ma, Ping Li, Xiangyu Duan, Jiazhen Li, Pengpeng Shao, Zhongling Lang, Lixia Bao, Yuanyuan Zhang, Zhengguo Lin, Bo Wang
Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201914762
导师介绍
王博
https://www.x-mol.com/university/faculty/8913
（本稿件来自Wiley）
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