表面活性剂介导的微波合成金属有机框架材料及其高效大气水捕获性能研究

为解决MOF-303合成时间长、形貌控制难的问题，天津大学研究人员提出表面活性剂介导的微波辅助合成策略，将反应时间从24小时缩短至1小时，产率提升至96.37%，并实现35 nm±10 nm的均匀晶体尺寸。该研究为MOF材料的规模化制备提供了高效可控的新方法，同时保持了材料0.214 g·g?1（35% RH）的优异水吸附性能。

　　

在气候变化加剧和水资源短缺的背景下，大气水捕获技术成为解决干旱地区供水问题的新思路。金属有机框架材料（MOFs）因其超高比表面积（可达6000 m²·g^?1）和可调控的孔隙结构，被视为理想的大气水吸附剂。其中MOF-303凭借3,5-吡唑二甲酸配体（PZDC）展现出的优异亲水性能尤为突出，但传统合成方法存在耗时（24-72小时）、使用有毒溶剂（如DMF/DMSO）以及晶体尺寸不均等问题，严重制约其实际应用。

天津大学化工与技术学院、精馏技术国家工程研究中心的研究团队创新性地将微波技术与表面活性剂调控相结合，开发出高效可控的MOF-303合成新工艺。通过系统优化反应温度（120-160°C）、时间（15分钟-1小时）和聚苯乙烯磺酸钠（PSS）浓度等参数，成功实现晶体形貌从严重团聚到单分散块状结构的精准调控。该成果发表于《Chinese Journal of Chemical Engineering》，为MOF材料的工业化生产提供了重要技术突破。

研究采用微波辅助合成、X射线衍射（PXRD）表征、吸附性能测试等关键技术方法。通过对比传统加热与微波合成的差异，发现微波辐射虽加速成核导致晶体尺寸减小（50 nm→35 nm），但通过PSS对特定晶面的选择性吸附作用，有效抑制了颗粒团聚。水吸附实验证实改性后的MOF-303在35%相对湿度下保持0.214 g·g^?1的吸附容量，与未改性样品性能相当。

研究结果显示：微波辅助合成将产率从76%提升至89%，反应时间缩短96%；表面活性剂筛选实验表明PSS能通过晶面特异性吸附实现单分散控制；工艺优化后产品收率达96.37%，晶体尺寸分布35 nm±10 nm；结构表征证实改性材料保持原始框架结构，吸附动力学未受粒径减小影响。

该研究的重要意义在于：首次建立微波-表面活性剂协同调控MOF-303合成的普适性方法，突破传统合成效率瓶颈；阐明PSS调控晶体生长的分子机制，为纳米MOF的可控制备提供新思路；开发的环境友好型水相合成路线，避免有毒溶剂使用，符合绿色化学原则。这项工作不仅推动MOF材料在 atmospheric water harvesting（AWH）领域的实用化进程，其提出的"微波加速-表面修饰"双策略对其它功能材料的合成也具有重要借鉴价值。