天津大学刘新磊教授团队联合荷兰代尔夫特理工大学 Freek Kapteijn 教授，在中国工程院院刊 Engineering 发表题为“Water Harvesting with Zeolite, MOF, COF, and HOF Adsorbents（沸石、MOF、COF 与 HOF 吸附剂用于大气集水）”的综述文章。文章从吸附式大气集水（AAWH）的工作原理出发，建立了六条吸附剂筛选准则；从海量候选材料中甄别出 5 种沸石、20 种 MOF、6 种 COF 和 1 种 HOF，并系统对比了四类材料的水吸附机理；梳理了从吸附组件到整机装置的最新进展，指出下一代 AAWH 技术应聚焦吸附组件的规模化制备与高效系统集成，为干旱地区“从空气中取水”提供了从材料到装置的完整技术路线图。
大气中的水是否可以“吸”出来？
全球淡水短缺日益严峻；而在干旱地区，河流湖泊靠不住的时候，空气中的水汽反而可能是可靠的淡水来源。吸附式大气集水（AAWH）利用亲水吸附剂把空气中的水汽吸附进孔道里，再借助湿度或温度梯度把水脱附出来，随后冷凝成液态水收集利用。
理想吸附剂的六个标准
文章给出了理想吸附剂应满足的六个标准：（1）在水汽和液态水环境下水热稳定；（2）水吸附等温线在所需相对压力处有陡峭台阶（S 型等温线）；（3）在陡峭台阶处能可逆吸脱附；（4）脱附无滞后；（5）吸附-脱附循环中高且稳定的水容量；（6）具有快速传热传质动力学的高效吸附-脱附。
这六个标准背后是一个微妙的平衡：吸附剂要足够亲水，才能在低湿度下工作；又要在湿度或温度梯度下能轻松把水释放出来。基于这套标准，作者团队从四类结晶多孔材料中筛出了 32 种候选，包括 5 种沸石、20 种 MOF、6 种 COF 和 1 种 HOF。
四类材料同台竞技：谁更适合大气集水？
四类吸附材料各有特点。沸石最早商用，成本较低，强亲水性使其在极低湿度下即可吸水，但水吸附容量低、再生温度高、导热差；MOF 可设计性最强，拐点集中在干旱区（p/p₀=0.1~0.3）、容量高，Al-MOF 已实现吨级量产且数千次循环性能不衰减，综合表现最优；COF 无金属无毒、亲和力适中，但纯有机框架天然偏疏水、拐点偏高（p/p₀=0.24~0.35），合成成本仍高；HOF 合成温和、易再生，却因氢键较弱导致稳定性差、容量低，距实用最远。
吸附剂孔道的理性设计：从孔径调控到亲疏水平衡
吸附剂孔结构及其表面化学的合理设计有助于实现水吸附容量和解吸所需能耗之间的平衡。约 1 nm 的规则孔道能让水分子有序排列，从而形成陡峭的 S 型等温线；一维直孔道利于水分子扩散，还可在同等孔径下实现最大容量。在此基础上，孔表面的亲疏水平衡同样关键。在相对疏水的孔道中点缀适量强亲水位点，既能在低湿度下成核吸水，又不会因过度亲水产生脱附滞后。随着结构-性能关系逐渐清晰，人工智能已入场加速材料开发。
从材料到装置：AAWH 设备化进展
当前 AAWH 装置沿两条技术路线推进。被动单循环装置在夜间吸水，白天依靠太阳能脱附。MOF-801 装置在亚利桑那沙漠的日产水量为 0.1 L/kg MOF，MOF-303 装置在伯克利和死亡谷的日产水量分别达 0.285 和 0.210 L/kg MOF 且无需外部提供能源。主动多循环装置一天内可实现多次集水循环，产量比被动装置高一个数量级。MOF-303 主动装置日产水量约 1.3 L/kg MOF，为被动装置的 10 倍以上；MOF-801 自适应装置根据实时天气条件调整集水周期，可将日产水量提升至 2.4 L/kg MOF。
AAWH 规模化应用的技术挑战与未来展望
目前四类材料中，MOF 基 AAWH 装置最接近商业化，但日产水量距满足一个成年人每天约 4 升的需求仍有差距。作者团队进一步展望了六个攻关方向：（1）开展 HOF 的吸附动力学研究，评估其在快速循环装置中的应用潜力；（2）评估用于强化传热的复合吸附组件的构建成本；（3）开发在 MOF/COF 颗粒或薄膜中保持孔隙率的方法，例如无粘结剂成型；（4）对大规模吸附组件与装置进行科学设计，以进一步提高产水量；（5）在系统层面实现集水装置的能量回收集成；（6）面向规模化 AAWH 应用开展技术经济与全生命周期评估分析。未来，除提供淡水外，AAWH 技术还可与被动冷却、除湿、发电系统耦合，实现绿色取水与低碳应用的更大愿景。
