时隔9天，北京大学「国家杰青」团队，再发Nature大子刊！

给COF加点“氯”，晒太阳也能高效产淡水！实现超宽光谱太阳能蒸发

全球淡水短缺正在成为影响人类生活与可持续发展的重要挑战。海水储量巨大，淡化无疑是获得淡水的重要途径，但反渗透等传统技术往往依赖较高的能量输入和基础设施投入，在偏远、离网地区的应用受到限制。太阳能界面蒸发则提供了另一种思路：直接利用太阳光在水面局部产生热量，让水快速蒸发并冷凝收集。不过，这项技术能否真正高效运行，很大程度上取决于光热材料能不能尽可能多地吸收太阳光，并把吸收的能量快速转化为热。对于近年来受到关注的共价有机框架（COFs）而言，问题恰恰在这里：许多COF主要吸收200–550 nm的光，长波可见光和近红外光利用不足，同时能量弛豫过程也限制了光热转换效率。

针对这一瓶颈，北京大学郭少军教授联合北京理工大学李红博教授和北京化工大学刘友星副教授设计了一类氯功能化TTB-pPA COF，通过在分子骨架中引入Cl原子，同时拓宽光吸收范围并增强非辐射弛豫，使材料的吸收范围覆盖200–1500 nm。在1个太阳光强照射下，TTB-pPA COF仅60 s表面温度便升至125.3 ℃，明显高于不含Cl的BTB-pPA COF的60.7 ℃。进一步构建的太阳能蒸发器实现了7.62 kg m⁻² h⁻¹的水蒸发速率；户外流动式装置连续运行60天，日产水量达到30–45 L m⁻²，可满足约12–18人的日常饮水需求。相关成果以 “Covalent organic frameworks with ultra-broadband absorption for efficient solar-driven water evaporation” 为题发表在《Nature Water》上。Yachao Xu, Zhong Zhou, Bojing Sun.为共同第一作者。

值得一提的是，继9月9日一项研究成果登上《Nature Water》后，郭少军教授团队再次在该刊发表最新工作。

研究的第一步，是回答一个很直接的问题：在相似的COF骨架中，换一个官能团，能不能改变材料利用太阳光的能力？ 作者设计了三种结构相近的COF，以H、OH和Cl分别进行功能化，对应BTB-pPA、TFP-pPA和TTB-pPA（图1a）。三种材料都保持了规则的多孔COF结构（图1b–d），其中TTB-pPA中的Cl元素能够均匀进入骨架。换句话说，研究者并没有彻底改变COF的主体结构，而是通过精细的“原子级改造”，去调节其电子结构和能量耗散过程。

图1：氯功能化COF的结构设计。

这种设计很快在光吸收和升温性能上表现出差异。紫外-可见-近红外光谱显示，TTB-pPA的吸收范围可以一直延伸到1500 nm，明显宽于另外两种COF（图2a）。更直观的是红外热成像：在相同1-sun照射下，TTB-pPA在60 s内便达到125.3 ℃（图2b），而OH功能化的TFP-pPA为85.3 ℃（图2c），BTB-pPA仅为60.7 ℃（图2d）。这说明Cl的加入不仅让COF能够“看到”更多太阳光，而且能更有效地把这些光变成热。为什么一个Cl原子会带来这么明显的差异？理论计算给出了进一步解释。TTB-pPA中Cl 3p轨道的p带中心更靠近费米能级，相比TFP-pPA中的O 2p轨道能够缩小带隙，从而把光吸收拓展到更长波长（图2e、f）。与此同时，Cl引起更强的电子扰动和自旋轨道耦合，提高有效载流子浓度（图2g、h），使光生载流子更倾向于通过非辐射过程耗散能量，也就是把吸收到的光能更多转化为热。TTB-pPA较低的电导率和热导率还能够减少能量快速向外传递，让热量更集中地保留在局部区域（图2i、j）。

图2：TTB-pPA的超宽光吸收及光热转换机制。

图3则从晶格振动进一步补上了这套光热机制。计算发现，TTB-pPA中的低频振动模式明显改变，其最大声子频率由TFP-pPA中约40 THz降低到约20 THz（图3a–c），有利于电子激发能向热运动转化。折射率、消光系数以及FDTD模拟也表明，从50到500 nm不同颗粒尺寸下，TTB-pPA都表现出更有利的光吸收和局域光热场分布（图3d–f）。此外，实验还显示TTB-pPA具有更低的水蒸发焓，为后面的快速蒸发创造了条件。

图3：声子振动与局域光场共同促进光热转换。

材料“会发热”还不够，真正的关键是能不能把热高效用在水蒸发上。为此，作者构建了多层太阳能蒸发器（图4a）：水凝胶负责输水，三聚氰胺泡沫提供支撑和隔热，COF层负责光热转换，上层纳米囊泡凝胶则进一步调控水分状态和脱附。这样一来，太阳能产生的热量被尽可能限制在空气—水界面，而不是传入大量体相水中。结果十分明显。在1-sun条件下，采用TTB-pPA的蒸发器稳态蒸发速率达到7.62 kg m⁻² h⁻¹（图4b），其太阳能到热能转换效率达到91.93%，明显高于另外两种COF体系。蒸发冷凝后的水中Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等主要离子浓度均降至10 mg L⁻¹以下（图4d），论文报道的其他水质指标也符合相应饮用水指导值。装置连续循环后蒸发性能没有明显下降（图4f），面对模拟海水、染料污染水以及酸碱体系也保持较高蒸发能力（图4e）。在自然阳光下，其表面温度能够升至82.3 ℃，蒸发速率仍达到6.55 kg m⁻² h⁻¹（图4g）。

图4：太阳能水蒸发与净水性能。

最后，作者把实验室里的“小蒸发器”进一步放到了户外。图5a、b展示了一套自主搭建的流动式太阳能产水系统，包括海水循环、蒸发模块、水蒸气收集以及太阳能供电单元。在2025年6月至8月的户外测试中，以6月25日为例，蒸发模块表面最高升至54.2 ℃，当天最高蒸发速率达到5.2 kg m⁻² h⁻¹（图5c）。更重要的是，在长达60天的运行过程中，装置日产纯水维持在30–45 L m⁻²（图5d）。按照每人每天2.5 L饮水量计算，1平方米装置产生的淡水即可满足约12–18人的饮水需求。

图5：户外流动式太阳能产水系统。

小结

这项工作的意义并不仅仅在于得到一个较高的蒸发数字，而是展示了一条清晰的材料设计路线：通过在COF骨架中进行原子级功能化，同时调控光吸收、电子弛豫和声子输运，让更多太阳能沿着“光→电子激发→非辐射弛豫→热”的路径释放出来。 从200–1500 nm的超宽光谱吸收，到125.3 ℃的快速升温，再到7.62 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率和60天户外稳定运行，这项研究把COF的分子设计与实际太阳能淡化装置连接了起来，也为未来开发低能耗、离网式太阳能净水系统提供了新的材料思路。