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研究背景

全球淡水資源嚴(yán)重短缺，僅有約0.06%的淡水資源易于獲取，而海水淡化是滿足未來用水需求的重要解決方案。然而，傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)（如反滲透、多效蒸餾等）存在成本高、能耗大、基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)雜等問題，難以在發(fā)展中國(guó)家和欠發(fā)達(dá)國(guó)家普及。界面太陽(yáng)能蒸汽發(fā)電（ISSG）技術(shù)作為一種有前景的替代方案，可將熱量集中在氣-水界面進(jìn)行蒸發(fā)，具有高太陽(yáng)能-蒸汽轉(zhuǎn)換效率且無需依賴電力。該技術(shù)的核心部件是太陽(yáng)能蒸發(fā)器，其性能在很大程度上取決于光熱材料的光吸收能力。盡管碳基材料等被廣泛研究，但有機(jī)金屬聚合物的分子結(jié)構(gòu)可靈活調(diào)控，從而能實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的寬光譜光吸收性能。本研究旨在通過合理的分子設(shè)計(jì)，開發(fā)新型鉑基光熱聚合物，以提升ISSG系統(tǒng)的蒸發(fā)效率和應(yīng)用潛力。

相關(guān)工作以“Chemical Modification of Platinum-Based Photothermal Polymer toward Enhanced Solar Absorption and Steam Generation”為題，發(fā)布在《Small》期刊上。（中科院二區(qū)，JCR一區(qū)，IF=12.1）

02

研究數(shù)據(jù)

圖1.合成有機(jī)金屬聚合物的分子結(jié)構(gòu)和蒸發(fā)器的制造工藝。(a)C1的鉑配合物和M1的相應(yīng)聚合物的分子結(jié)構(gòu)。(b)C2的鉑配合物和M2的相應(yīng)聚合物的分子結(jié)構(gòu)。(c)利用所制備的光熱聚合物制造太陽(yáng)能蒸發(fā)器的工藝。

圖2.表征。(a)BDDA、M1和M2的FTIR光譜。(b)M1和M2的TGA曲線。(c)薄膜狀態(tài)下BDDA、C1和C2的所有單體的吸收光譜。(d)M1和M2的一個(gè)重復(fù)單元的優(yōu)化的S0幾何結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的計(jì)算的LUMO和HOMO能級(jí)。(e)PU、M1PU和M2PU的UV-Vis-NIR吸收光譜。

圖3.表面形態(tài)。(a)PU、(b)負(fù)載M1的PU(M1PU)和(c)負(fù)載M2的PU(M2PU)的掃描電子顯微鏡圖像。干(d)PU、(e)M1PU和(f)濕M1PU的三維顯微鏡圖像。

圖4.熱響應(yīng)。(a)干M1PU和M2PU在光照7分鐘后在1太陽(yáng)下的熱像。(b)干M1PU和M2PU在開關(guān)光循環(huán)下的光熱響應(yīng)，以及曝光7分鐘后PU在1個(gè)太陽(yáng)下的熱像(插圖)。(c)M1PU系統(tǒng)在1個(gè)日照下的溫度分布，(II-v)濕M1PU在0.7、1、1.5和2個(gè)日照下的頂面溫度。

圖5.所制備的蒸發(fā)器(M1PU和M2PU)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a)ISSG機(jī)制。(b)聚合物M1和M2的光熱機(jī)理。(c)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置。(d)蒸發(fā)率(ER)和相應(yīng)的水質(zhì)量變化率(插圖)，在沒有蒸發(fā)器和有蒸發(fā)器的情況下，在1個(gè)太陽(yáng)下。(e)在不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下，存在M1PU時(shí)水和海水的質(zhì)量變化率。(f)M1PU的相應(yīng)蒸發(fā)速率(ER)和效率。(g)在M1PU存在的情況下，在1太陽(yáng)下不同含鹽量濃水的蒸發(fā)速率。(h)在長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)的試驗(yàn)中，M1PU在1個(gè)太陽(yáng)下的質(zhì)量變化和相應(yīng)的水和海水的蒸發(fā)速率。(i)所制備的蒸發(fā)器的鹽擴(kuò)散機(jī)理。(j)M1PU循環(huán)試驗(yàn)和鹽擴(kuò)散過程(插圖)。

圖6.戶外實(shí)驗(yàn)。(a)室外條件下的實(shí)驗(yàn)裝置圖解。(b)不同時(shí)間的太陽(yáng)輻射和相應(yīng)的海水蒸發(fā)率。(c)與氣象站建立基于ISSG的水收集系統(tǒng)。(d)室外實(shí)驗(yàn)8h后，不同時(shí)間、不同取水量的太陽(yáng)照射(插圖)。(e)海水和純凈水中不同陽(yáng)離子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+)的濃度。(f)在1個(gè)太陽(yáng)下M1PU存在時(shí)，染料污染水的質(zhì)量變化和相應(yīng)的蒸發(fā)速率(ER)(插圖)。(g-i)亞甲基藍(lán)(MB)、甲基橙和羅丹明B(RhB)蒸發(fā)凈化前后的吸光度。

03

研究結(jié)論

本研究成功設(shè)計(jì)并合成了兩種新型鉑基D-A聚合物（M1和M2）。研究表明，M1因其更平面的分子骨架結(jié)構(gòu)，通過配體到配體電荷轉(zhuǎn)移（LLCT）和分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）的協(xié)同效應(yīng)，表現(xiàn)出優(yōu)于M2的光熱性能?；贛1的太陽(yáng)能蒸發(fā)器（M1PU）在1太陽(yáng)光照下實(shí)現(xiàn)了1.87 kg m-2 h-1的水蒸發(fā)速率，比M2PU高出約33.57%。該蒸發(fā)器在淡化天然海水和高濃度鹽水（最高20 wt.% NaCl）方面表現(xiàn)出色，且蒸發(fā)器頂部表面無鹽結(jié)晶積累，具備自清潔能力。此外，M1PU系統(tǒng)還能有效凈化染料廢水，產(chǎn)生的淡化水和凈化水均達(dá)到高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。戶外實(shí)驗(yàn)表明，在平均太陽(yáng)輻照度為0.58 kW m-2的條件下，該ISSG系統(tǒng)8小時(shí)內(nèi)可生產(chǎn)約8.5 L m-2的淡水。這項(xiàng)工作證實(shí)了通過分子結(jié)構(gòu)調(diào)控可高效開發(fā)用于太陽(yáng)能淡化的光熱材料。

DOl:10.1002/smll.202509534

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