Desalination | 文献前沿 | 多级TiO2包覆金属有机框架衍生碳材料实现饮用水和电力的高效热电联产

【研究背景】

界面太阳能水蒸发作为一种利用蒸发系统内部光热材料，实现高效太阳能-热转化并驱动海水蒸发获取清洁水的技术，具有高效率、低成本和节能环保等优势。特别近年来，新型复合光热材料和蒸发器结构巧妙设计赋予ISSG除了海水淡化外新的功能——污水净化、电能获取等，进一步激发了ISSG的研究和应用潜力。在近年来得到广泛研究的光热材料中，碳基材料具有良好化学稳定性、无毒等优势，然而，大部分碳基光热材料，相较于在可见-近红外范围出色的光吸收，在紫外区的光吸收能力减弱，为此，开发高效光吸收、热转化的碳基光热材料并具有多功能于一体的特性具有重要价值。

考虑到MOFs衍生多孔碳材料的特性和半导体材料在紫外波段良好的光吸收性能，本工作将通过原子层沉积（ALD）制备的TiO2薄膜与生长在多孔泡沫镍表面的Co-MOF复合并碳化，制备具有全太阳光谱出色光吸收能力的多级光热材料（CTCNF）。得益于类黑曼巴蛇的仿生结构，结合Co金属纳米粒子、CoOx、TiOx和MOFs衍生多孔碳材料的协同光热效应，CTCNF在全太阳光谱具有93.65%的光吸收和97.75 %的光热转化效率，基于CTCNF构建的蒸发在1个标准太阳下具有3.60 kg m-2h-1的蒸发速率和151.15 mV的开路电压。

目前，该文以“Hierarchical TiO2-coated metal-organic framework-derived carbon material for efficient co-generation of drinkable water and electricity”为题在《Desalination》（中科院一区，TOP，IF2024=8.3）上发表。该文通讯作者为陕西科技大学王维科副教授、马闯及王成兵教授。

【文章解读】

利用ISSG过程实现海水淡化、污水净化和发电的CTCNF材料的制备示意图。使用原子层沉积（ALD）在生长Co-MOF的泡沫镍表面沉积TiO2, 经过巧妙的碳化方案，获得用于海水淡化、污水净化和蒸发驱动发电的柔性MOFs衍生碳基光热材料——CTCNF。

图2.（a，d）CNF,（b，e）TCNF,（c,f）CTCNF-100的SEM图像；（g）CTCNF-100的Ti、Ni、O、Co、C和N元素谱图；（h）NF、CNF、TCNF和CTCNF的XRD谱图；（i）CNF、TCNF和CTCNF的局部XRD放大图；（j）CTCNF-100的拉曼光谱。

图3.CTCNF的（a）C1s，（b）O1s,（C）N1s,（d）Co2p和（e）Ti2p XPS光谱；（f） CTCNF-100的亲水性测试；（g）NF和CTCNF的光吸收示意图；（h）NF、CCNF和CTCNF的紫外-可见-近红外吸收光谱；（i）NF、CNF、CCNF、TCNF-100和CTCNF-100在模拟光源（1个太阳）开启和关闭时的温度响应曲线；（j）开灯-关灯（1个太阳）时CTCNF（干燥状态）的红外图像。

图4.（a）CTCNF-100,0和（b）CTCNF-100,45在0.5-2个太阳光照度下的水质量变化。（c）在0.5-2个太阳光照强度下CTCNF-100,0和CTCNF-100,45的蒸发速率。CTCNF-100,0、CTCNF-100,45和模拟海水在黑暗和1个太阳下的（d）水质量变化和（e）蒸发速率。（f）CTCNF-100的O-H拉曼拉伸模区拟合曲线。（g）CTCNF-100与纯水的DSC曲线。（h）CTCNF-100,0和CTCNF-100,45蒸发装置示意图；（i）CTCNF-100,0和（j）CTCNF-100,45在不同盐浓度下的水质量变化。（k）使用CTCNF-100,45在一个太阳下连续蒸发15 wt%的海水10小时，每小时的蒸发速率。

图5.（a）用固定电极间距的万用表测量不同水的电阻结果。（b）使用CTCNF-100蒸发海水前后水体中Na+、Mg2+、K+和Ca2+的浓度。模拟污水和冷凝水的UV-Vis吸收光谱，（c）CuSO4·5H2O,（d）红墨水，（e）RhB和（f）泥水的紫外可见光谱。在污水净化后，（g）CuSO4·5H2O,（h）RhB,（i）红墨水和（j）泥水的变化。

图6.（a）CTCNF-100基发电装置在开关-灯条件下工作的原理图。（b，c）不同尺寸（宽度和长度）CTCNF-100的Voc；（d）不同尺寸CTCNF-100在1个太阳下连续测试5000s的Voc变化；（e）不同尺寸CTCNF-100在1个太阳下的蒸发速率；（f）CTCNF-100在黑暗条件下有无3.5 wt%海盐水存在时的Voc。

图7.（a、b）CTCNF-100,0和（c、d）CTCNF-100,45蒸发装置在户外测试过程中，蒸发器表面温度、太阳强度和蒸发速率的监测结果。（e）户外水蒸发和蒸发驱动发电一体化装置示意图；（f）在户外测试过程中CTCNF-100,45的发电性能、表面温度和蒸发速率监测结果。

【文章总结】

本文以制备全太阳光谱出色光吸收性能、光热性能的具备良好稳定性和无毒性的碳基光热材料为出发点，结合MOFs和TiO2的特性，提出并使用ALD制备了TiO2包覆的Co-MOFs衍生碳基复合光热材料，具有仿生结构的柔性CTCNF基蒸发器在获得高效能量利用和水蒸发性能的同时，拥有海水淡化、污水净化和蒸发驱动发电多功能一体化的优势，为制备高性能光热材料应用于ISSG提供了新的策略。

（1）CTCNF的仿生结构可以促进光线的多次反射和吸收，同时，结合碳基材料、Co金属纳米颗粒、TiOx、CoOx的协同光热效应，CTCNF在全太阳光谱具有优异的光吸收性能（高于93.65 %），光热转换（~97.75 %）、能量利用效率（~109.9 %）和蒸发性能（3.60 kg m-2 h-1）。

（2）CTCNF表面丰富的含氧和含氮官能团，赋予自身高效的水供给，在满足快速水蒸发的同时，具有良好的耐盐特性。

（3）基于CTCNF-100设计的蒸发-发电一体化装置，在一个标准太阳光强下，可以获得151.15 mV的开路电压和3.61 kg m-2 h-1的蒸发速率。

【文献来源】

Weike Wang*, Chuang Ma*, Zhen Jia, Qian Chen, Rongrong Zhang, Xuelian Zhang, Jiankang Zhu, Chengbing Wang*, Hierarchical TiO2-coated metal-organic framework-derived carbon material for efficient co-generation of drinkable water and electricity. Desalination, 2025, 593,118256.

https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.118256