研究背景

隨著人類社會的持續(xù)快速發(fā)展，地表水資源面臨著復(fù)雜的工農(nóng)業(yè)排放帶來的日益嚴重的污染，其中包括有問題的重金屬離子和揮發(fā)性有機化合物。為了解決這一問題，太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)已經(jīng)成為一種引人注目的、低能耗和可持續(xù)的水凈化技術(shù)，能夠從海水或非傳統(tǒng)水源中收集清潔的水。這些系統(tǒng)的性能關(guān)鍵取決于高效的光熱轉(zhuǎn)換材料，這需要廣譜的太陽能吸收來驅(qū)動高蒸發(fā)率。雖然流行的光熱材料--包括碳基材料、金屬和金屬氧化物、MXenes、天然生物聚合物和聚合物--在太陽能驅(qū)動的蒸發(fā)中顯示出成功，但共價有機骨架(COF)最近引起了相當大的興趣。它們有序的納米孔、容易調(diào)節(jié)的孔徑和多功能官能團提供了一個獨特的平臺，使它們在高效太陽能蒸汽發(fā)電應(yīng)用方面具有巨大的潛力。

COF代表了一類快速發(fā)展的多孔有機聚合物，通過強大的共價鍵由輕質(zhì)元素(如C、O、N)巧妙地構(gòu)建而成。大量的研究工作已經(jīng)指向推進新的合成路線，精煉合成后修飾，并探索其廣泛的應(yīng)用潛力。目前，COF在從氣體存儲/分離到多相催化和能量存儲的各個領(lǐng)域都顯示出令人信服的前景。然而，最近，它們在太陽能蒸汽發(fā)電中的應(yīng)用已成為一個特別活躍的研究領(lǐng)域。Li等人開發(fā)的雙區(qū)COF/石墨烯水凝膠就是一個很好的例子。通過原位生長。石墨烯表面的COF層有效地增加了表面粗糙度，減少了光反射，從而增強了對太陽能的吸收，從而高效地產(chǎn)生蒸汽。在另一個案例中，從綠色植物光合作用中獲得靈感，田等人。設(shè)計了一種人造太陽能轉(zhuǎn)換器，將用于捕光的碳納米管與用于定向反應(yīng)和運輸?shù)幕贑OF的定向氣凝膠集成在一起，實現(xiàn)了高效的清潔水和過氧化氫生產(chǎn)。不可否認，這些探索標志著在利用COFS進行光熱蒸發(fā)方面取得了重要進展。

研究數(shù)據(jù)

圖1 COF膜結(jié)構(gòu)示意圖，針對太陽能蒸汽產(chǎn)生和光催化中的光-熱-質(zhì)轉(zhuǎn)換進行了優(yōu)化。a)M-COF合成路線示意圖。b)通過DHA和TPA之間的席夫堿縮合反應(yīng)合成了COF。c)所得的M-COF具有增強的光吸收性能。d)熱定位是通過限制在芳綸水凝膠中實現(xiàn)的。e)M-COFS吸附有機污染物，然后將其降解。

圖2 合成COF和M-COF膜的表征。a) COF和M-COF膜的FTIR光譜。b) COF和Co-COF的PXRD衍射圖譜。c) COF和Co-COF膜的XPS光譜。Co-COF的金屬XPS峰分解圖。d) Cu-COF 。e) 及Ni-COF f) g) COF膜的數(shù)碼照片。h) Co-COF的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）晶格條紋。i) Co-COF的元素映射圖，顯示C、N、O和Co的均勻分布。

圖3 Co-COF的XAFS譜。a) Co-COF、Co箔、CoO和Co?O?在Co K邊處的XANES譜。b) Co-COF、Co箔、CoO和Co?O?在Co K邊處的R空間傅里葉變換(FT)譜。c) Co-COF的FT-EXAFS譜在R空間的擬合結(jié)果。d–f) Co箔、Co?O?和Co-COF的WT-EXAFS分析。g) COF中Co可能配位位點的形成能。

圖4 基于COF膜和M-COF膜的太陽能蒸發(fā)光熱效應(yīng)及性能。a) 不同TAPA比例合成的太陽能驅(qū)動膜隨時間變化的水質(zhì)量變化曲線，附對應(yīng)透水率。b) 不同DHA比例合成的太陽能驅(qū)動膜的水質(zhì)量變化曲線。c) COF膜與M-COF膜的蒸發(fā)速率對比。d) COF膜與Co-COF膜的太陽光譜輻照度（AM 1.5 G）及吸收光譜。e) Co-COF膜在單日照條件下呈現(xiàn)局部熱梯度的溫度變化與紅外圖像。f) Co-COF膜的循環(huán)性能測試。

圖5 Co-COF膜的光熱催化性能、太陽能海水淡化和抗菌性能。a) 不同初始濃度（50、100、150和200 mg L?1）下Co-COF膜對苯酚的降解效果。b) Co-COF膜反應(yīng)過程中DMPO-?OH和DMPO-SO4??的EPR譜圖。c) Co-COF膜中DMPO-?O2?的EPR譜圖。d) 酚類降解淬滅實驗。e) COF膜與M-COF膜的酚類降解效果。f) 海水脫鹽前后離子濃度（Na?, Mg2?, K?, Ca2?）。g) 樣品處理后細菌菌落分析。h) 各類污染物的通用降解效率。

圖6 理論模擬。在太陽光照射下，COF膜和Co-COF膜的表面溫度a)和濕度b)發(fā)生變化。C)模擬水-空氣界面熱對流的變化。由COF和Co-COF膜的可見光-近紅外漫反射(R)光譜得到的Kubelka-Munk函數(shù)(F(R))。E)切割模型fcof和co-cof的HOMO和LUMO

研究結(jié)論

在這項工作中，我們提出了一種協(xié)同的光-熱-質(zhì)量工程策略，克服了傳統(tǒng)太陽能驅(qū)動的水凈化的局限性。通過界面聚合，我們合成了具有均勻有序納米通道和集成原子分散的金屬單原子的COF膜。這些單原子既是局域光熱中心，又是催化中心。我們的發(fā)現(xiàn)表明，在單日照下，這些位置放大了界面的溫度和濕度梯度，從而驅(qū)動了強大的浮力對流，顯著加快了蒸發(fā)驅(qū)動的傳質(zhì)效率。由此產(chǎn)生的Co-COF膜為海水淡化性能設(shè)定了新的基準，達到了99.996%的Na+去除效率，達到了世界衛(wèi)生組織的標準。此外，EHOMO和ELUMO的戰(zhàn)略性調(diào)制導(dǎo)致了光學吸收的顯著近紅外紅移，從而擴大了可用于耦合光熱加熱和光催化降解的光子預(yù)算。這項工作不僅提供了對光、熱和質(zhì)量傳遞之間相互作用的機械洞察，而且為開發(fā)用于可持續(xù)水管理的高效、自驅(qū)動膜技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

DOI：10.1002/adfm.202529163

聲明：僅代表作者個人觀點，作者科研水平有限，如有不科學之處，請在下方批評指正?。?！