AFM|金属配位共价有机骨架膜净水协同光-热-质工程

研究背景

随着人类社会的持续快速发展，地表水资源面临着复杂的工农业排放带来的日益严重的污染，其中包括有问题的重金属离子和挥发性有机化合物。为了解决这一问题，太阳能驱动的界面蒸发已经成为一种引人注目的、低能耗和可持续的水净化技术，能够从海水或非传统水源中收集清洁的水。这些系统的性能关键取决于高效的光热转换材料，这需要广谱的太阳能吸收来驱动高蒸发率。虽然流行的光热材料--包括碳基材料、金属和金属氧化物、MXenes、天然生物聚合物和聚合物--在太阳能驱动的蒸发中显示出成功，但共价有机骨架(COF)最近引起了相当大的兴趣。它们有序的纳米孔、容易调节的孔径和多功能官能团提供了一个独特的平台，使它们在高效太阳能蒸汽发电应用方面具有巨大的潜力。

COF代表了一类快速发展的多孔有机聚合物，通过强大的共价键由轻质元素(如C、O、N)巧妙地构建而成。大量的研究工作已经指向推进新的合成路线，精炼合成后修饰，并探索其广泛的应用潜力。目前，COF在从气体存储/分离到多相催化和能量存储的各个领域都显示出令人信服的前景。然而，最近，它们在太阳能蒸汽发电中的应用已成为一个特别活跃的研究领域。Li等人开发的双区COF/石墨烯水凝胶就是一个很好的例子。通过原位生长。石墨烯表面的COF层有效地增加了表面粗糙度，减少了光反射，从而增强了对太阳能的吸收，从而高效地产生蒸汽。在另一个案例中，从绿色植物光合作用中获得灵感，田等人。设计了一种人造太阳能转换器，将用于捕光的碳纳米管与用于定向反应和运输的基于COF的定向气凝胶集成在一起，实现了高效的清洁水和过氧化氢生产。不可否认，这些探索标志着在利用COFS进行光热蒸发方面取得了重要进展。

研究数据

图1 COF膜结构示意图，针对太阳能蒸汽产生和光催化中的光-热-质转换进行了优化。a)M-COF合成路线示意图。b)通过DHA和TPA之间的席夫碱缩合反应合成了COF。c)所得的M-COF具有增强的光吸收性能。d)热定位是通过限制在芳纶水凝胶中实现的。e)M-COFS吸附有机污染物，然后将其降解。

图2 合成COF和M-COF膜的表征。a) COF和M-COF膜的FTIR光谱。b) COF和Co-COF的PXRD衍射图谱。c) COF和Co-COF膜的XPS光谱。Co-COF的金属XPS峰分解图。d) Cu-COF 。e) 及Ni-COF f) g) COF膜的数码照片。h) Co-COF的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）晶格条纹。i) Co-COF的元素映射图，显示C、N、O和Co的均匀分布。

图3 Co-COF的XAFS谱。a) Co-COF、Co箔、CoO和Co₃O₄在Co K边处的XANES谱。b) Co-COF、Co箔、CoO和Co₃O₄在Co K边处的R空间傅里叶变换(FT)谱。c) Co-COF的FT-EXAFS谱在R空间的拟合结果。d–f) Co箔、Co₃O₄和Co-COF的WT-EXAFS分析。g) COF中Co可能配位位点的形成能。

图4 基于COF膜和M-COF膜的太阳能蒸发光热效应及性能。a) 不同TAPA比例合成的太阳能驱动膜随时间变化的水质量变化曲线，附对应透水率。b) 不同DHA比例合成的太阳能驱动膜的水质量变化曲线。c) COF膜与M-COF膜的蒸发速率对比。d) COF膜与Co-COF膜的太阳光谱辐照度（AM 1.5 G）及吸收光谱。e) Co-COF膜在单日照条件下呈现局部热梯度的温度变化与红外图像。f) Co-COF膜的循环性能测试。

图5 Co-COF膜的光热催化性能、太阳能海水淡化和抗菌性能。a) 不同初始浓度（50、100、150和200 mg L−1）下Co-COF膜对苯酚的降解效果。b) Co-COF膜反应过程中DMPO-∙OH和DMPO-SO4∙−的EPR谱图。c) Co-COF膜中DMPO-∙O2−的EPR谱图。d) 酚类降解淬灭实验。e) COF膜与M-COF膜的酚类降解效果。f) 海水脱盐前后离子浓度（Na⁺, Mg²⁺, K⁺, Ca²⁺）。g) 样品处理后细菌菌落分析。h) 各类污染物的通用降解效率。

图6 理论模拟。在太阳光照射下，COF膜和Co-COF膜的表面温度a)和湿度b)发生变化。C)模拟水-空气界面热对流的变化。由COF和Co-COF膜的可见光-近红外漫反射(R)光谱得到的Kubelka-Munk函数(F(R))。E)切割模型fcof和co-cof的HOMO和LUMO

研究结论

在这项工作中，我们提出了一种协同的光-热-质量工程策略，克服了传统太阳能驱动的水净化的局限性。通过界面聚合，我们合成了具有均匀有序纳米通道和集成原子分散的金属单原子的COF膜。这些单原子既是局域光热中心，又是催化中心。我们的发现表明，在单日照下，这些位置放大了界面的温度和湿度梯度，从而驱动了强大的浮力对流，显著加快了蒸发驱动的传质效率。由此产生的Co-COF膜为海水淡化性能设定了新的基准，达到了99.996%的Na+去除效率，达到了世界卫生组织的标准。此外，EHOMO和ELUMO的战略性调制导致了光学吸收的显著近红外红移，从而扩大了可用于耦合光热加热和光催化降解的光子预算。这项工作不仅提供了对光、热和质量传递之间相互作用的机械洞察，而且为开发用于可持续水管理的高效、自驱动膜技术奠定了基础。

DOI：10.1002/adfm.202529163

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