研究背景：

室内高湿度对建筑设备安全与人体健康的影响日益受到关注，吸附式除湿技术因其可独立控温控湿、能耗较低而成为研究热点。然而，现有固体吸附材料面临易泄漏、腐蚀设备或再生温度高等问题，难以同时满足易成型、无毒、低能耗的室内除湿需求。

文章概述：

中国科学院过程工程研究所陈运法、姚明水、李伟曼等提出了一种原位界面控制生长策略，将无毒金属有机框架（MOF）CAU-23与温敏水凝胶PVA-PNIPAM复合，制备出具有分级多孔结构的热刺激响应整体材料ThermoGel-23。该材料实现了MOF、聚合物及柔性温敏多孔界面的协同优势，为室内快速、大规模水分缓冲提供了高效解决方案。

图文导读：

原位生长克服成型难题，多级孔道加速水分子传输

传统溶胶-凝胶法易堵塞MOF孔道，研究团队开发的原位界面控制生长策略先将有机配体负载于预制备的PVA-PNIPAM凝胶中，再引入金属盐溶液使MOF在凝胶孔道内直接生长。所得ThermoGel-23中CAU-23颗粒直径约100 nm，均匀分布于凝胶网络内部。PNIPAM的热响应特性在回流过程中（T> LCST）发生收缩相变，有效将配体和金属离子限域于凝胶网络内，实现了MOF的原位可控生长。ThermoGel-23拥有微孔-介孔-大孔的多级孔网络。

图1. (a) 化学交联法合成PNIPAM；(b) 回流法合成CAU-23；(c) 原位生长法合成ThermoGel-23；(d) CAU-23-PVA-PNIPAM（ThermoGel-23）作为干燥剂的优势示意图

多模式协同吸附：从微孔填充到毛细冷凝

研究团队系统解析了ThermoGel-23的吸湿机制。在低中湿环境下（RH < 60%），CAU-23的微孔和聚合物网络的亲水基团协同结合水分子；在高湿环境下（RH > 60%），介孔和大孔中的毛细冷凝效应成为主导。残留NaCl（9.54 wt.%）贡献了约23%的总吸附量。二维相关光谱（2DCS）分析揭示了水分子的三种存在状态：弱氢键结合的中等水、水分子簇和强氢键结合的束缚水。蒙特卡洛（GCMC）模拟进一步验证了水分子在CAU-23微孔笼中的填充行为。

图2.(a) 不同CAU-23质量分数下ThermoGel-23的吸水率（T=25°C，RH 80%）；(b) 水蒸气吸附-脱附等温线（T=25°C）；(c) 的孔径分布；(d) 循环稳定性（T=25°C，RH 80%）；(e) ThermoGel-23的吸附动力学（T=25°C，RH 80%）；(f) 二维傅里叶变换红外光谱（2D-FTIR）相关异步光谱（3700–3000 cm-1）；(g) 吸湿性水凝胶的吸附示意图

热刺激响应相变实现低能耗脱附

ThermoGel-23的低脱附能耗得益于CAU-23的低再生能耗和水凝胶的热刺激响应相变。分子动力学模拟表明，温度超过LCST时，PNIPAM分子链由溶胀状态的近直线构象卷曲，疏水异丙基包裹酰胺基团，导致分子网络收缩。这一宏观的溶胀-脱水转变过程，配合CAU-23的低能耗水分子释放特性，共同实现了材料的低能耗再生。

图3.GCMC模拟的ThermoGel-23中吸附过程和径向分布函数：(a-c) CAU-23微孔笼中水分子快照；(d) 含水水凝胶的DSC谱图；(e) H2O和PNIPAM-α（TLCST）的径向分布函数；(f) PNIPAM-α和PNIPAM-β的原子间径向分布函数；(g) ThermoGel-23在溶胀状态（TLCST，疏水性）下的照片；(h) MOF和水凝胶材料的吸水率比较（绿点：无毒，红点：有毒）

该工作展示了多级孔MOF-Polymer热刺激响应复合材料作为高效、可规模化除湿剂的潜力，为可持续、节能型湿度控制材料的开发开辟了新途径。

论文信息：

Hierarchically Soft Porous MOF-Polymer Monolith for Fast and Large-Scale Moisture Buffering

Guangxin Ma, Xin Zhou, Weiman Li, Ken-ichi Otake, Susumu Kitagawa, Xiaoze Wang, Mengjie Cao, Linfeng Nie, Ming-Shui Yao, Yunfa Chen

Advanced Science

DOI:10.1002/advs.202523720

原文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202523720

期刊介绍：

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