Shiue-Min Shih, and Li-Chiang Lin
J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 38, 34791–34803

國立臺灣大學 化學工程學系 林立強教授

為了因應日益嚴重的缺水問題，從大氣取水（Atmospheric Water Harvesting）近年來備受關注，透過多孔材料—特別是金屬有機框架結構（Metal–Organic Frameworks, MOFs）—直接從空氣中吸取水分並脫附產水。MOFs 是一種可高度調控的結構，擁有極大的表面積。這類材料在大氣取水應用上的表現，與其水吸附特性密切相關，但針對水在MOFs內吸附行為的理解迄今仍十分有限。

本研究利用電腦模擬系統性地分析超過 200個MOF結構，運用flat histogram Monte Carlo 技術，結合熱力學穩定性、巨觀態機率、自由能及氫鍵網絡等分析手法，探討水在MOFs內的吸附行為與其關鍵因素。研究發現，MOFs的吸附行為呈現出非常多樣的型態，從漸進式的水分吸附（非 S型等溫線）到突發性的吸附（S型等溫線）。即使是同樣呈現 S 型吸附曲線的MOFs，其吸附過程也可能遵循完全不同的機制，展示出獨特的相行為（phase behaviors），這些相行為也被發現與MOFs中受限水分子的臨界溫度（critical temperature）存在關聯。此外，本研究也建立吸附特性與MOFs的結構與化學性質的連結。例如，具有moderate heat of adsorption的材料，較可能出現理想的S 型等溫線，而孔徑大小與吸附位點的分布則會影響吸附曲線的上升劇烈程度與位置。特別是在預測吸附step pressure方面，本研究也提出一稱之為connectivity index的新穎量化指標。這個指標不僅考慮水於結構內吸附位點的密度，更包含其連結程度與空間分布的均勻性。

總結來說，本研究探索並了解MOFs在吸附水分子方面的多樣行為，有望幫助未來MOF材料的設計。