Des cadres organiques covalents (COF) ont été salués comme matériaux de nouvelle génération pour capturer l'eau de l'air, alimenter les déshumidificateurs et conduire des pompes à chaleur économes en énergie. Construites à partir de blocs de construction légers et organiques, ces matériaux cristallins et hautement poreux s'apparentent à des ensembles de LEGO moléculaires: leur géométrie et leur chimie peuvent être adaptées avec précision. Cependant, un problème important est resté: dans l'air humide, les COF peuvent s'effondrer.
Outre la dégradation chimique, qui brise les liaisons covalentes qui maintiennent les COF, la question de l'effondrement peut également être attribuée à l'instabilité physique. Lorsque les COF adsorbe et libèrent une vapeur d'eau, les forces capillaires exercées dans leurs pores peuvent déplacer des couches, effondrer les canaux ou même transformer les cadres en polymères amorphes. Ces changements réduisent l'absorption d'eau et raccourcissent les durées de vie des dispositifs.
Dans nos travaux récents publiés dans Matériaux fonctionnels avancésnous avons synthétisé les COF avec des tailles de pores variables, allant de 1,4 à 3,3 nanomètres, et les avons testées à travers des cycles d'adsorption de vapeur d'eau répétés. Un compromis a été remarqué immédiatement: les pores plus petits étaient plus stables mais tenaient moins d'eau, tandis que les plus gros pores stockaient plus d'eau mais avaient tendance à s'effondrer sous les forces capillaires.
La percée s'est produite lorsque nous avons introduit des liaisons de kéto-énamine, qui créent des liaisons hydrogène intralayer (voir Fig. 1). Ces renforts moléculaires ont agi comme des rivets, tenant les couches de COF plus rigidement, ce qui réduit la flexibilité et empêche le glissement intercouche.
Les simulations de dynamique moléculaire et les calculs de théorie fonctionnelle de la densité ont confirmé le rôle de stabilisation de ces liaisons hydrogène. Expérimentalement, les COF kéto-enamines ont maintenu la cristallinité et la porosité même après 200 tests de cyclisme de vapeur d'eau. En revanche, les COF liés à l'imine se sont rapidement dégradés dans des conditions similaires.
Pour présenter une pertinence pratique, nous avons augmenté la synthèse à l'aide d'une méthode aqueuse assistée par micro-ondes, produisant des grammes de COF en quelques heures. Nous avons ensuite enduit un échangeur de chaleur à tube nageux avec l'écurie (TPOme-BPYD COF) et a démontré une déshumidification efficace de l'air à des températures de régénération aussi basses que 60 ° C.
Par rapport à un cadre de référence métal-organique (fumarate d'aluminium), le dispositif enduit de COF a montré presque doublé la capacité d'élimination de l'humidité (MRC), tout en fonctionnant avec une chaleur de bas grade qui pourrait provenir des déchets ou de l'énergie solaire (voir Fig. 2).
L'étude propose de nouvelles directives de conception pour les COF d'ingénierie qui établissent un équilibre entre la capacité de l'eau et la résilience. En renforçant les COF à l'échelle moléculaire, nous les avons rendues suffisamment durables pour des applications réelles, de la déshumidification de l'air à la récolte durable de l'eau.
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Le professeur Dan Zhao a reçu son doctorat. en chimie inorganique de la Texas A&M University en 2010 sous le professeur Hong-Cai Joe Zhou, suivi de la recherche postdoctorale au Argonne National Laboratory. Il a rejoint NUS en 2012, où il est devenu professeur en 2025. Ses recherches se concentrent sur les matériaux poreux et les membranes hybrides pour l'énergie propre et la durabilité environnementale.
