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研究背景

針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中因人口密度增加和環(huán)境污染導(dǎo)致的水資源短缺與能源危機(jī)，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)技術(shù)被視為緩解水危機(jī)的有效途徑，但其應(yīng)用中原水有機(jī)污染物濃度逐漸升高，存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)。為此，研究者提出將界面蒸發(fā)與光催化降解耦合，其中基于過(guò)氧單硫酸鹽（PMS）的先進(jìn)氧化工藝能產(chǎn)生活性氧物種（如SO??·和·OH），可高效降解污染物。為實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)與催化的雙重功能，經(jīng)典MOF材料MIL-101-NH?因其高比表面積和可調(diào)性被廣泛關(guān)注，但其帶隙較寬、光生載流子壽命短。通過(guò)配體功能化引入氰基（-CN）可調(diào)節(jié)能隙與光學(xué)性質(zhì)，提升光吸收與催化性能，從而構(gòu)建雙功能光熱-光催化材料。此外，木材因其各向異性孔道、低導(dǎo)熱性、親水性及富含羥基的組分，可作為理想的支撐基材，促進(jìn)水分輸送、蒸汽擴(kuò)散并為MOF負(fù)載提供結(jié)合位點(diǎn)，從而支撐高效穩(wěn)定的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)-催化系統(tǒng)。

基于上述設(shè)計(jì)策略，本研究成功通過(guò)丙烯腈將氰基（-CN）引入MIL-101-NH?，并首次將其與天然木材相結(jié)合，構(gòu)筑出一種集成式木材基蒸發(fā)器（M-NH-CN/木材），用于同步實(shí)現(xiàn)高效太陽(yáng)能淡水生產(chǎn)與吡蟲(chóng)啉（IMD）降解。該集成系統(tǒng)展現(xiàn)出多重優(yōu)勢(shì)：首先，木材固有的各向異性多孔結(jié)構(gòu)保障了高效的水分輸運(yùn)與蒸汽擴(kuò)散；其次，MOF通過(guò)配位作用與木材基底穩(wěn)定結(jié)合，克服了傳統(tǒng)涂層易剝離的缺點(diǎn)；再者，氰基的引入有效調(diào)節(jié)了MOF的電子結(jié)構(gòu)，縮小其帶隙，從而提升光吸收能力并加速電荷轉(zhuǎn)移，顯著增強(qiáng)了光催化降解IMD的性能；此外，親水性MOF框架有助于降低水的蒸發(fā)焓，使系統(tǒng)在1個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)下實(shí)現(xiàn)2.24 kg m?2 h?1的高蒸發(fā)速率。該工作為設(shè)計(jì)兼具海水淡化、污染物降解及潛在農(nóng)業(yè)應(yīng)用的多功能光熱-催化系統(tǒng)提供了新思路。

相關(guān)研究以“Ligand-functionalized metal-organic framework-based evaporator for synchronous freshwater production and agricultural wastewater remediation”為題，發(fā)表在國(guó)際知名期刊《JOURNAL OF HAZARDOUS MATERIALS》上。（中科院一區(qū)TOP，JCR一區(qū)，IF=11.3）

M-NH-CN/木材用于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)、IMD降解及作物灌溉的示意圖

02

相關(guān)數(shù)據(jù)

圖1. (a) M-NH-CN/木材合成過(guò)程示意圖。(b) PTA-NH?與PTA-NH-CN的1H NMR譜圖。δ a', b′, c′ = 7.75 (d, 1H), 7.01 (dd, 1H), 7.37 (d, 1H)。δ a', b′, c′, d′, e′, f′ = 7.93 (d, 1H), 7.18 (d, 1H), 7.32 (s, 1H), 8.07 (s, 1H), 3.58 (t, 2H), 2.85 (t, 2H)。(c) PTA-NH?與PTA-NH-CN的FT-IR光譜。(d) 天然木材縱切面的SEM圖像。(e) M-NH-CN/木材的SEM圖像。(f) M-NH-CN/木材的EDX映射圖。

圖2. (a) 樣品的XRD衍射圖譜。(b) 木材與M-NH-CN/木材的XPS光譜。(c) M-NH-CN/木材的高分辨率Fe 2p光譜。(d) M-NH-CN/木材的高分辨率N 1s光譜。(e) 帶隙能量 (f) 價(jià)帶XPS光譜 (g) M-NH?與M-NH-CN的能帶對(duì)齊圖 (h) 木材、M-NH?/木材及M-NH-CN/木材的紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜 (i) M-NH-CN/木材的光熱機(jī)理示意圖。

圖3. (a) M-NH-CN/木質(zhì)材料在不同時(shí)間點(diǎn)的紅外熱成像圖。(b) 水、木質(zhì)材料、M-NH?/木質(zhì)材料及M-NH-CN/木質(zhì)材料的質(zhì)量變化曲線。(c) 水蒸發(fā)速率與已報(bào)道木質(zhì)蒸發(fā)器的對(duì)比。(d) 木質(zhì)材料與M-NH-CN/木質(zhì)材料的差示掃描量熱譜圖。(e) M-NH-CN/木材太陽(yáng)能蒸發(fā)過(guò)程及機(jī)理示意圖。(f) 連續(xù)太陽(yáng)能脫鹽過(guò)程中M-NH-CN/木材表面鹽分沉積照片。(g) 耐鹽機(jī)制示意圖。

圖4. (a) 不同條件下IMD的降解過(guò)程。(b) IMD降解的動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)。(c) 吸附于M-NH?和M-NH-CN上的PMS的密度泛函理論計(jì)算模型。(d, e) 吸附于M-NH?和M-NH-CN上的PMS的電荷密度差圖。(f, g) M-NH?與M-NH-CN的密度態(tài)能級(jí)圖。 (h) DMPO-·OH與DMPO-SO??·。 (i) M-NH-CN/木材+PMS體系中TEMP-1O?的響應(yīng)曲線。

圖5. (a) M-NH-CN/木材+PMS體系中IMD的擬議降解機(jī)制。 (b) M-NH-CN/木材+PMS體系中IMD的擬議降解途徑。

圖6. (a) 太陽(yáng)能蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(b) 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)海水前后離子濃度變化。(c) M-NH-CN/木質(zhì)材料的循環(huán)性能。(d) RhB處理前后紫外光譜。(e) 凈化海水灌溉植物生長(zhǎng)過(guò)程示意圖。

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研究結(jié)論

本研究通過(guò)在金屬有機(jī)框架（MOFs）末端引入電子吸引基團(tuán)-CN，成功制備了一種新型木質(zhì)蒸發(fā)器。-CN的引入能有效調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)，從而提升光吸收能力。理論計(jì)算進(jìn)一步證實(shí)：-CN基團(tuán)能顯著提升PMS吸收能，調(diào)控電子結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)IMD的光催化降解效率。憑借此創(chuàng)新設(shè)計(jì)，該蒸發(fā)器在PMS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高速水分蒸發(fā)（2.24 kg m?2 h?1）與卓越的IMD降解率（99.2%），兼具優(yōu)異的凈化、自脫鹽及循環(huán)利用能力。此外，蒸發(fā)系統(tǒng)收集的淡水可進(jìn)一步用于支持向日葵等植物生長(zhǎng)。新型木質(zhì)蒸發(fā)器的開(kāi)發(fā)為淡水生產(chǎn)和離岸淡水農(nóng)業(yè)提供了寶貴的應(yīng)用前景。

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DOI:10.1016/j.jhazmat.2025.138841

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