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文献解读丨[Nat. Water最新] 超宽光谱吸收共价有机框架用于高效太阳能水蒸发

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三人行,必有我师焉;择其善者而从之,其不善者而改之。

——《论语・述而》

【今天解读太阳能界面蒸发领域的一篇文章,发表于Nature Water 的研究论文《Covalent organic frameworks with ultra‑broadband absorption for efficient solar‑driven water evaporation》。通讯作者:郭少军、李红博、刘友星】

注:文献解读融合编者观点,非单纯翻译,欢迎指正。如涉侵权请联系删除。

全球淡水资源短缺是制约人类生存与社会可持续发展的重大难题。海水占地球绝大多数水资源,海水淡化是解决淡水缺口的重要路径。传统反渗透淡化技术能耗高、基建成本昂贵,很难在偏远离网地区推广。

太阳能驱动界面水蒸发(SDWE),利用太阳能光热转换实现海水蒸馏产淡水,低成本、低碳,是面向分散式供水的极具潜力的技术。光热材料是整套系统的核心,高性能光热材料需要同时满足两点:宽光谱太阳光捕获 + 高效非辐射弛豫(把光能量转化成热,而不是荧光辐射损耗)。

共价有机框架 COF,是一类结晶多孔有机高分子,具备孔隙率高、分子可精准模块化设计、化学稳定性好的优点,在太阳能蒸发领域备受关注。但是现有 COF 光热材料存在显著短板:

  • 光吸收波段窄,大多只吸收 200‑550 nm,大量可见光、近红外太阳光无法利用。

  • 激发态载流子容易发生辐射复合发光,大量能量以光形式损耗,光‑热转换效率低。

这两个瓶颈极大限制 COF 在太阳能蒸发领域的实际性能,开发宽吸收、强非辐射弛豫的新型 COF,是该领域的关键挑战。

发现

已报道 COF 基光热材料局限:

  1. 吸收截止边短,无法充分利用近红外波段太阳能;

  2. 分子内部辐射衰减占比高,光激发能量大量以荧光形式耗散,而不是变成热能;

  3. 缺少分子层面的改性策略同时解决 “拓宽吸收” 和 “促进非辐射弛豫” 两个问题。

很多工作只聚焦 COF 的孔道、形貌改性,很少从分子骨架电子结构角度去调控自旋‑轨道耦合、声子散射,实现同时扩宽光谱、加速非辐射弛豫。 作者发现:在 COF 骨架引入 Cl 氯原子,可以调控电子轨道,增强自旋‑轨道耦合效应,同时缩小带隙拓宽光吸收,并且强化非辐射弛豫,提升光热能力。

对比三组 COF: TTB‑pPA COF(Cl 功能化,本文新合成); TFP‑pPA COF(羟基‑OH 取代); BTB‑pPA COF(无卤素、无羟基,对照组)。

设计

作者设计氯功能化 TTB‑pPA COF,单体为 2,4,6‑三氯‑1,3,5‑三醛苯 (TTB) 和对苯二胺 (pPA),溶剂热法合成亚胺键连接的 COF 晶体。

  1. 分子层面设计

    将 Cl 原子精准嵌入 COF 给体单元骨架。Cl 的 3p 轨道靠近费米能级,缩小带隙,实现 200‑1500 nm 超宽光谱吸收;同时 Cl 引入强自旋‑轨道耦合,加速光生载流子的非辐射弛豫,把光能高效转化为晶格热能。

  2. 器件层级架构设计 HG/MF@TTB‑pPA COFs@NVG 蒸发器

  • MF 三聚氰胺泡沫:支撑基底;

  • HG 水凝胶层:输水,提供水传输通道;

  • TTB‑pPA COF:核心光热转换层;

  • NVG 纳米囊泡凝胶:辅助水脱附。 这套复合结构兼顾光热、水输运、界面水脱附,构建完整界面蒸发系统。


图 1|TTB‑pPA、TFP‑pPA、BTB‑pPA 三种 COF 分子结构示意图

验证

按照「材料结构表征→光热性能→理论计算揭示机理→蒸发器室内蒸发性能→多水质适应性→户外长时间实地示范」逐层递进验证。

1. COF 材料结构与化学表征

XRD 证实三种 COF 均为 AA 堆叠晶体结构;固态核磁、XPS、FT‑IR、Raman 证实亚胺键 C=N 成功生成;元素映射证明 Cl 元素在 TTB‑pPA COF 骨架均匀分布;氮气吸附脱附测试证实材料具备高比表面积、开放孔道,利于水蒸气输运。

2. 光热性能测试

紫外‑可见‑近红外吸收光谱:TTB‑pPA COF 实现200‑1500 nm 超宽光谱吸收,远优于无氯的两组对比 COF。 红外热成像:1 倍太阳光照射 60 s,TTB‑pPA COF 表面温度快速达到125.3 ℃;TFP‑pPA(羟基)85.3 ℃;BTB‑pPA(无 Cl)仅 60.7 ℃,直观证明 Cl 修饰带来巨大光热提升。


图 2|三种 COF 的光吸收、红外热成像、热电输运性能

3. DFT、Boltzmann 输运、FDTD 理论揭示内在机理

  1. 电子层面

    Cl‑3p 轨道 P 带中心更靠近费米能级,缩小带隙,实现红移拓宽吸收;Cl 带来更强自旋‑轨道耦合,载流子浓度提升,促进光生载流子非辐射复合(俄歇复合)。

  2. 声子层面

    Cl 原子带来低频分子振动模式,声子色散向低频移动,增强非谐声子散射,声子寿命变短,进一步加速光‑热转化。

  3. Boltzmann 输运计算:TTB‑pPA COF 电导率、热导率下降,利于热量局域在光热层,减少热散失。

  4. FDTD 时域有限差分仿真:50‑500 nm 颗粒尺寸范围内,TTB‑pPA 均具备更强光局域增强效果。

核心机理总结:Cl 原子引入,同时实现①带隙缩小,拓宽 200‑1500 nm 光吸收;②增强自旋‑轨道耦合,促进载流子非辐射弛豫;③强化非谐声子散射,加速电子‑声子能量转换;④降低热导率,实现热量局域,多重协同实现优异光热性能。

图 3|声子色散、折射率消光系数、FDTD 光场仿真结果

4. 室内蒸发器蒸发性能

HG/MF@TTB‑pPA COFs@NVG 蒸发器,1 sun 模拟太阳光:

  • 蒸发速率高达 7.62 kg m⁻² h⁻¹ ,光‑热转换效率 91.93%,显著优于 TFP‑pPA、BTB‑pPA 对照组,也优于大量已报道文献;

  • 淡化后冷凝水 Na⁺、Mg²⁺等主要阳离子含量全部<10 mg L⁻¹,杂质占比<0.1%,满足 WHO 饮用水标准;

  • 耐多种水质:海水、酸碱污水、亚甲基蓝有机污水都可以高效蒸发净化;

  • 循环测试,多次循环性能无明显衰减,化学结构稳定,抗污染。


图 4|室内蒸发性能、离子去除、循环稳定性

5. 户外原型装置实地测试(论文很大亮点)

搭建流动池户外原型设备,直接用自然太阳光开展长达60 天连续户外实验。

  • 典型晴天,最高产水速率 5.2 kg m⁻² h⁻¹;

  • 日均产水 30‑45 L m⁻² d⁻¹ ,产水量可满足 12‑18 个人每日饮用水需求;

  • 60 天户外长期运行,蒸发性能维持稳定,材料结构保持完整,证明面向实际应用的巨大潜力。


图 5|户外原型装置实物,昼夜产水曲线,60 天长期运行数据

总结与展望

本文在分子骨架层面通过引入氯原子修饰 COF,获得 TTB‑pPA COF,实现 200‑1500 nm 超宽光谱捕获;Cl 原子带来强自旋‑轨道‑声子耦合效应,大幅促进非辐射弛豫,实现优异光热转换。 基于该 COF 构建复合蒸发器,1‑sun 下蒸发速率 7.62 kg m⁻² h⁻¹;进一步搭建户外流动式原型,连续稳定运行 60 天,日产淡水 30‑45 L m⁻²,水质达到饮用水标准,具备实际分散式供水潜力。

设计思路启迪

  1. COF 基光热材料不能只盯着孔道、形貌改性, 分子骨架电子结构修饰是非常重要的突破口 ;引入卤素 Cl,通过自旋‑轨道耦合调控载流子弛豫是提升光热性能的有效策略。

  2. 优秀光热材料需要兼顾两点:①尽可能宽的太阳光吸收;②尽可能强的非辐射弛豫,把吸收光子高效变成热,抑制辐射发光损耗。两者缺一不可。

  3. 太阳能蒸发论文,除了实验室模拟光源数据, 户外原型 + 长时间实地测试 是迈向实际应用的重要证据,这篇 Nature Water 的一大亮点就是 60 天户外连续运行原型实验。

文章启示:面向太阳能蒸发的 COF 光热材料,从分子电子‑声子尺度调控自旋‑轨道耦合,是一条非常有前景的设计路线。


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