Ученые раскрыли разнообразие механизмов поглощения воды в металло-органических каркасах

S-образные изотермы адсорбции могут демонстрировать различное фазовое поведение — от непрерывной эволюции до резких фазовых переходов. Иллюстрация из исследования, опубликованного в J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 38, 34791–34803. Доступно по лицензии CC-BY 4.0. Автор: 2025 American Chemical Society.

Для борьбы с нехваткой воды стратегически важным становится её получение из нетрадиционных источников. Один из перспективных подходов — сбор атмосферной воды, технология, предложенная в последние годы для извлечения воды непосредственно из воздуха с использованием нового класса пористых материалов — металло-органических каркасов (МОК).

МОК — это высоконастраиваемые, кристаллоподобные структуры с большой площадью поверхности, известные своей способностью улавливать и удерживать молекулы, включая водяной пар.

Как и следовало ожидать, эффективность таких процессов сбора сильно зависит от характеристик адсорбции воды в МОК.

На сегодняшний день в научной литературе наблюдалось и сообщалось о разнообразном поведении воды при адсорбции в МОК. Для максимального повышения эффективности сбора исследователи ищут МОК, которые демонстрируют S-образные изотермы адсорбции, характеризующиеся резким увеличением поглощения воды при небольшом изменении условий адсорбции.

Хотя этот принцип известен уже много лет, всестороннее понимание разнообразного поведения воды при адсорбции в МОК оставалось ограниченным.

В исследовании, опубликованном в Journal of the American Chemical Society, группа профессора Ли-Чианга Линя из Национального университета Тайваня провела детальное компьютерное исследование более чем 200 стратегически отобранных МОК, чтобы лучше понять, как происходит адсорбция воды в этих материалах.

Они использовали передовые методы монте-карло симуляций с плоской гистограммой в сочетании с анализом термодинамической стабильности, вероятностей макросостояний, профилей свободной энергии и сетей водородных связей.

Исследование выявило удивительно широкий спектр поведения при адсорбции, включая как постепенные, так и скачкообразные модели поглощения — так называемые не-S-образные и S-образные изотермы соответственно.

Примечательно, что даже среди МОК с желаемыми S-образными изотермами исследователи идентифицировали различное фазовое поведение, показывая, что разные МОК с S-образным поведением могут следовать принципиально разным механизмам адсорбции воды. Они также продемонстрировали четкую связь между этим фазовым поведением и критической температурой заключённой воды внутри МОК.

Кроме того, группа Линя смогла соотнести это поведение с конкретными химическими и структурными особенностями МОК. Например, материалы с умеренной теплотой адсорбции с большей вероятностью демонстрировали желаемое резкое поглощение воды. Также было обнаружено, что размер пор и распределение центров адсорбции контролируют как резкость, так и положение ступени поглощения.

Что особенно важно, для последнего — положения ступени поглощения — группа Линя разработала новый дескриптор, названный индексом связности. Этот индекс включает в себя не только плотность, но, что более важно, связность и пространственную однородность центров адсорбции, и было показано, что он сильно влияет на давление ступени.

«Это исследование дает всесторонний обзор разнообразного поведения при адсорбции в МОК», — говорит профессор Ли-Чианг Линь, соответствующий автор исследования.

«Полученные знания прокладывают путь к рациональному дизайну МОК, адаптированных для сбора атмосферной воды, что потенциально позволит создать масштабируемые, энергоэффективные решения для удовлетворения растущих мировых потребностей в воде».

Больше информации: Shiue-Min Shih et al, Water Adsorption in Metal–Organic Frameworks: Characteristics, Mechanisms, and Structure–Property Relationships, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c10686