研究背景

隨著人類社會(huì)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(lái)的日益嚴(yán)重的污染，其中包括有問(wèn)題的重金屬離子和揮發(fā)性有機(jī)化合物。為了解決這一問(wèn)題，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)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(yáng)能吸收來(lái)驅(qū)動(dòng)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(yáng)能驅(qū)動(dòng)的蒸發(fā)中顯示出成功，但共價(jià)有機(jī)骨架(COF)最近引起了相當(dāng)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(tuán)提供了一個(gè)獨(dú)特的平臺(tái)，使它們?cè)诟咝?yáng)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(jī)聚合物，通過(guò)強(qiáng)大的共價(jià)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(jìn)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(chǔ)/分離到多相催化和能量存儲(chǔ)的各個(gè)領(lǐng)域都顯示出令人信服的前景。然而，最近，它們?cè)谔?yáng)能蒸汽發(fā)電中的應(yīng)用已成為一個(gè)特別活躍的研究領(lǐng)域。Li等人開(kāi)發(fā)的雙區(qū)COF/石墨烯水凝膠就是一個(gè)很好的例子。通過(guò)原位生長(zhǎng)。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(qiáng)了對(duì)太陽(yáng)能的吸收，從而高效地產(chǎn)生蒸汽。在另一個(gè)案例中，從綠色植物光合作用中獲得靈感，田等人。設(shè)計(jì)了一種人造太陽(yáng)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(yùn)輸?shù)幕贑OF的定向氣凝膠集成在一起，實(shí)現(xiàn)了高效的清潔水和過(guò)氧化氫生產(chǎn)。不可否認(rèn)，這些探索標(biāo)志著在利用COFS進(jìn)行光熱蒸發(fā)方面取得了重要進(jìn)展。

研究數(shù)據(jù)

圖1 COF膜結(jié)構(gòu)示意圖，針對(duì)太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生和光催化中的光-熱-質(zhì)轉(zhuǎn)換進(jìn)行了優(yōu)化。a)M-COF合成路線示意圖。b)通過(guò)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(qiáng)的光吸收性能。d)熱定位是通過(guò)限制在芳綸水凝膠中實(shí)現(xiàn)的。e)M-COFS吸附有機(jī)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(diǎn)的形成能。

圖4 基于COF膜和M-COF膜的太陽(yáng)能蒸發(fā)光熱效應(yīng)及性能。a) 不同TAPA比例合成的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)膜隨時(shí)間變化的水質(zhì)量變化曲線，附對(duì)應(yīng)透水率。b) 不同DHA比例合成的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)膜的水質(zhì)量變化曲線。c) COF膜與M-COF膜的蒸發(fā)速率對(duì)比。d) COF膜與Co-COF膜的太陽(yáng)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(cè)試。

圖5 Co-COF膜的光熱催化性能、太陽(yáng)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(duì)苯酚的降解效果。b) Co-COF膜反應(yīng)過(guò)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(shí)驗(yàn)。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(xì)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(yáng)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(duì)流的變化。由COF和Co-COF膜的可見(jiàn)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(xiàng)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(yáng)能驅(qū)動(dòng)的水凈化的局限性。通過(guò)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(dòng)了強(qiáng)大的浮力對(duì)流，顯著加快了蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)，達(dá)到了99.996%的Na+去除效率，達(dá)到了世界衛(wèi)生組織的標(biāo)準(zhǔn)。此外，EHOMO和ELUMO的戰(zhàn)略性調(diào)制導(dǎo)致了光學(xué)吸收的顯著近紅外紅移，從而擴(kuò)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(xiàng)工作不僅提供了對(duì)光、熱和質(zhì)量傳遞之間相互作用的機(jī)械洞察，而且為開(kāi)發(fā)用于可持續(xù)水管理的高效、自驅(qū)動(dòng)膜技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

DOI：10.1002/adfm.202529163

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