Pour lutter contre la rareté de l'eau, la production d'eau à partir de sources non conventionnelles est stratégiquement importante. Une approche prometteuse est la récolte de l'eau atmosphérique, une technologie proposée ces dernières années pour extraire l'eau directement de l'air à l'aide d'une classe émergente de matériaux poreux – des cadres métal-organiques (MOF).
Les MOF sont des structures hautement réglables et de type cristal avec de grandes surfaces, connues pour leur capacité à piéger et à maintenir des molécules, y compris la vapeur d'eau.
Comme on pouvait s'y attendre, les performances de ces processus de récolte dépend fortement des caractéristiques d'adsorption de l'eau dans les MOF.
À ce jour, une variété de comportements d'adsorption de l'eau dans les MOF ont été observées et rapportées dans la littérature. Pour maximiser l'efficacité de la récolte, les chercheurs recherchent des MOF qui présentent des isothermes d'adsorption en forme de S, qui présentent une forte augmentation de l'absorption d'eau avec un petit changement dans les conditions d'adsorption.
Bien que ce principe soit connu depuis des années, une compréhension complète des divers comportements d'adsorption de l'eau dans les MOF est restée limitée.
Dans une étude publiée dans le Journal de l'American Chemical SocietyLe groupe du professeur Li-Chiang Lin à l'Université nationale de Taïwan (NTU) a mené une enquête informatique détaillée sur plus de 200 MOF stratégiquement sélectionnés pour mieux comprendre comment l'adsorption de l'eau se produit dans ces matériaux.
Ils ont utilisé des simulations avancées d'histogramme plate de Monte Carlo, combinées à des analyses de stabilité thermodynamique, de probabilités de macrostat, de profils d'énergie libre et de réseaux de liaisons hydrogène.
L'étude a révélé une gamme étonnamment diversifiée de comportements d'adsorption, y compris les modèles d'absorption graduels et soudains – considérés comme des isothermes non en forme de S et en forme de S, respectivement.
Notamment, même parmi les MOF avec les isothermes en forme de S souhaités, les chercheurs ont identifié des comportements de phase distincts, montrant que différents MOF de comportements en forme de S peuvent suivre des mécanismes fondamentalement différents pour l'adsorption de l'eau. Ils ont également démontré un lien clair entre ces comportements de phase et la température critique de l'eau confinée dans les MOF.
De plus, le groupe LIN a pu corréler ces comportements avec des caractéristiques chimiques et structurelles spécifiques des MOF. Par exemple, les matériaux avec une chaleur d'adsorption modérée étaient plus susceptibles de présenter l'absorption d'eau aiguë souhaitée. De plus, la taille des pores et la distribution du site d'adsorption ont été trouvés pour contrôler à la fois la netteté et la position de l'étape d'absorption.
Notamment, pour ces derniers – en particulier la position de l'étape d'absorption (c'est-à-dire la pression de pas) – le groupe Lin a développé un nouveau descripteur appelé l'indice de connectivité. Cet indice intègre non seulement la densité, mais, plus important encore, la connectivité et l'homogénéité spatiale des sites d'adsorption, et il s'est avéré influencer fortement la pression de pas.
« Cette étude donne un aperçu complet de divers comportements d'adsorption dans les MOF », explique le professeur Li-Chiang Lin, auteur correspondant de l'étude.
« Les idées obtenues ouvrent la voie à la conception rationnelle des MOF adaptés à la récolte de l'eau atmosphérique, permettant potentiellement des solutions évolutives et économes en énergie pour aider à répondre aux besoins en eau croissants du monde. »
