蒸發材料1203丨中科大NC論文：基于彈性聚合物共價有機框架單塊材料的高效太陽能蒸汽蒸發

《Nature Communications》期刊在線發表了題為“Highly efficient solar steam evaporation via elastic polymer covalent organic frameworks monolith”的研究性論文。本文通過形成卟啉環，制備了含聚乙二醇（PEG）鏈且具有優異客體適應性的彈性聚合物共價有機框架（PP-PEG）。《Nature Communications》期刊2024年影響因子為15.7，是一份開放獲取的多學科期刊，致力于發表各生物、健康、物理、化學、地球、社會、數學、應用及工程科學領域的高質量研究。該期刊發表的論文旨在對各領域專業人士展示具有重要意義的重大進展。

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具有高效凈水性能的三維太陽能蒸汽蒸發器近年來備受關注。本文通過形成卟啉環，制備了含聚乙二醇（PEG）鏈且具有優異客體適應性的彈性聚合物共價有機框架（PP-PEG）。PP-PEG 泡沫材料展現出全光譜吸收性能和優異的光熱轉換特性。通過精心設計的熱管理方案，以及對親水性和 PEG 鏈長的優化，我們獲得了一種高效太陽能蒸發器 —— 在 1 太陽輻照下，其自含式模式下的蒸發速率達 4.89 千克?平方米?1?小時?1。借助簡易的截錐反射器，該蒸發器在 1 太陽輻照下的蒸發速率進一步提升至 18.88 千克?平方米?1?小時?1，性能超越所有已知太陽能蒸汽蒸發器。這種創新設計具備制備簡單、高效耐用等優勢，在海水淡化和水凈化領域具有巨大應用前景。

淡水資源是人類生存基礎，但人口增長、經濟發展和氣候變化導致全球淡水嚴重短缺；蒸餾、反滲透、電滲析等傳統海水淡化技術雖能緩解問題，卻存在工藝流程復雜、成本高的缺陷，難以高效普及。為解決傳統淡化技術的不足，太陽能蒸汽蒸發技術應運而生，該技術依賴碳基材料、等離激元納米顆粒、生物質基材料、有機聚合物等光熱材料；光熱轉換性能、熱管理效率、水傳輸管理能力是決定其蒸發性能的三大核心因素，當前已有針對這些因素的優化設計以提升效率。傳統二維（2D）太陽能蒸發器性能有限，而近年開發的三維（3D）蒸發器（如水氣凝膠、水凝膠、海綿 / 泡沫）具備輕質、適應性強、環境友好的特點；3D 結構不僅能充分利用入射光轉化熱能，還可從環境中獲取額外能量，減少熱輻射與熱傳導損失，實現超 100% 的太陽能 - 蒸汽轉換效率，性能優于 2D 蒸發器。共價有機框架（COFs）因可均勻整合卟啉、偶氮苯等光熱功能單元，在太陽能蒸汽蒸發領域關注度提升；但 COFs 常以粉末、微晶或 2D 膜形式存在，2D 膜與主體水直接接觸易致熱量損失，且柔性前驅體制備的 COFs 易出現結晶度喪失或結構坍塌；聚合物 COFs（polyCOFs）兼具 COFs 與線性聚合物優勢，具備增強力學性能等特性，開發性能優異的 polyCOFs 材料以提升太陽能蒸汽蒸發效率成為當前重要需求。

彈性聚合物共價有機框架（PP-PEG）的開發，該設計結合了光熱轉換層和熱響應水門控層。上層采用多孔聚多巴胺（PDA）涂層，提供光熱轉換功能和水微通道；下層采用熱響應孢子花粉素層，作為可切換的水門控層。這種雙層結構協同工作，有效平衡了水傳輸速率和光熱能量消耗，顯著提高了蒸發效率。

多維度提升蒸發效率，過集成太陽能吸收體、導水芯和疏水絕緣浮體，將蒸發器與本體水隔離，減少熱傳導損失；同時利用毛細管作用實現持續供水，結合 3D 結構的環境能量捕獲。

跡

圖.1 PP-PEG 3D 泡沫的制備及太陽能蒸汽蒸發示意，（圖a） PP-PEG 3D 泡沫的設計：由吡咯與含聚乙二醇（PEG）鏈的二醛前驅體反應制備，同時展示其對客體的適應性（圖b） 基于 PP-PEG 太陽能蒸發器的高效太陽能蒸汽蒸發系統示意圖

圖.2 PP-DEG-Acid 的結構示意圖與表征（圖a） PP-DEG-Acid 的合成：通過吡咯與 DEG-(Ph-CHO)?的環狀四聚反應形成卟啉環（圖b） PP-DEG-Acid 分別在 77 K 和 273 K 下的 N?與 CO?吸附等溫線（圖c）PP-DEG-Acid 的紫外光譜（圖d）PP-DEG-Acid 的傅里葉變換紅外光譜（插圖展示了標注碳的結構）；（圖e）PP-DEG-Acid 泡沫的實物照片、表面水接觸角（圖f）及掃描電鏡圖像（圖g）

圖. 3 基于 PP-PEG-Acid蒸發器的太陽能蒸汽蒸發

（a） PP-PEG-Acid 在 200~2200 nm 范圍內的紫外 - 可見 - 近紅外吸收光譜（b） 1 個太陽光照下，純水、本體水與 PP-PEG-Acid 泡沫的表面溫度變化（c-f） 1 個太陽光照下，純水及干燥狀態、漂浮狀態、自包含模式下 PP-PEG-Acid 泡沫的表面溫度紅外熱成像（圖g）1 個太陽光照下，純水與PP-PEG-Acid 蒸發器在漂浮模式及自包含模式下的質量變化

圖. 4 基于 PP-PEG-DMF 蒸發器的水接觸角及長期蒸發性能

（a） 不同二醛 PEG 鏈長度的 PP-PEG-DMF 泡沫的水接觸角 (b） 1 個太陽光照下，含不同 Ca2+ 濃度的模擬海水的長期蒸發性能 (c) 含不同二醛 PEG 鏈長度的PP-PEG-DMF 泡沫的側視圖 (d、e、f) 1 個太陽光照下，PP-PEG-DMF-5wt% Ca2+ 蒸發器在漂浮模式、自包含模式、自包含模式 + 反射器下的表面溫度 (g) 1 個太陽光照下，本體水與 PP-PEG-DMF-5wt% Ca2+ 蒸發器在自包含模式下的溫度對比 (h) 1 個太陽光照下，含不同 Ca2+ 濃度的模擬海水對應的 PP-PEG-DMF 蒸發器質量變化 （i） 不同二醛 PEG 鏈長度的 PP-PEG-DMF 泡沫在 200~2200 nm 范圍的紫外 - 可見 - 近紅外吸收光譜 （j） 1 個太陽光照下，PP-PEG-DMF-5wt% Ca2+ 蒸發器的紅外熱成像圖

圖. 5（a） PP-PEG-DMF 10 wt% Ca2+ 蒸發器在不同濃度海水含量下的規模化太陽能蒸汽蒸發（b） PP-PEG-600-DMF 10 wt% Ca2+ 蒸發器每一輪循環的循環蒸發性能（c） PP-PEG-600-DMF 10 wt% Ca2+ 的太陽能蒸發速率與文獻報道的標準濃度（下的蒸發速率）對比（d） 海水淡化前后 Na?、K?、Ca2+、Mg2+ 的離子濃度；（該蒸發器適配）1-13 的寬 pH 穩定區間（e） 配備鋁制截錐狀反射器的 PP-PEG-DMF 10 wt% Ca2+ 蒸發器的質量隨時間變化（插圖為該裝置的設計圖）。

這篇論文聚焦高效太陽能蒸汽蒸發技術，通過創新開發基于卟啉的彈性聚合物共價有機框架（PP-PEG 系列）材料，突破了傳統 COFs 材料機械性能差、易聚集猝滅的局限 —— 該材料兼具全光譜（200-2200 nm）高吸收、彈性多孔結構及低蒸發焓等特性，結合自包含蒸發模式、鋁制截錐反射器等結構設計，實現了 1 sun 下最高 18.88 kg m?2 h?1 的蒸發速率，同時在海水淡化、極端 pH 廢水處理中展現出優異的離子去除能力與循環穩定性，且材料制備工藝簡易、成本可控，既解決了太陽能蒸汽蒸發中 “光熱轉換 - 熱管理 - 水傳輸” 的協同優化瓶頸，也拓展了聚 COFs 材料在光熱轉化領域的應用邊界。

未來該方向可從多維度深化 —— 材料層面可進一步調控 PP-PEG 的分子結構與孔道特性，提升其抗生物附著、抗鹽析的長期服役性能；系統層面可集成儲能單元或光熱 - 光電協同模塊，突破太陽能依賴的時間限制，也可與膜分離等技術耦合拓展資源回收（如鹽水提鋰）功能；同時需推進規模化生產中的工藝優化，結合戶外實際場景的智能監測系統，推動該技術從實驗室驗證向大規模水資源處理工程落地，此外也可探索其在光熱催化等跨領域的潛在價值。

Hu, A., Zhao, Y., Hu, Q., Chen, C., Lu, X., Cui, S., Liu, B., 2024. Highly efficient solar steam evaporation via elastic polymer covalent organic frameworks monolith. Nat Commun 15, 9484. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53902-1

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資料整理：周雷豪（陽光凈水）

編輯：環境與能源功能材料

周雷豪（陽光凈水課題組）

【資料整理】周雷豪：資源與環境碩士研究生。

殼聚糖丨纖維素丨MOF材料丨石墨烯丨碳納米管丨MXenes丨硫化鉬丨催化材料丨蒸發材料丨吸附材料丨電極材料丨除磷材料丨產氫材料

2025年9月，國際TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發表了陽光凈水課題組題為“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的綜述性論文。根據Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述多功能和可持續殼聚糖基界面蒸發材料在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本文總結了殼聚糖基太陽能界面蒸發器（CS-SIE）四種類型（水凝膠、氣凝膠、海綿和膜）、五種改性材料和在水污染控制中應用。最后，總結了CS-SIEs在際應用中仍面臨挑戰。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環境、制藥、食品等領域的工業應用，最新中科院分區：8.50/二區TOP期刊。

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2024年06月08日，國際期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發表了陽光凈水課題組題為“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”綜述論文。根據Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述殼聚糖基異相催化劑在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本綜述概述了金屬氧化物/殼聚糖基復合材料（MOs@CSbMs）、金屬硫化物/殼聚糖基復合材料（MSs@CSbMs）、鉍基半導體/殼聚糖基復合材料（BibSCs@CSbMs）、金屬有機框架/殼聚糖基復合材料（MOFs@CSbMs）和納米零價金屬/殼聚糖基復合材料（NZVMs@CSbMs）等5種Cat@CSbMs材料的制備策略及作為助催化劑、光催化劑、類芬頓試劑在處理各類廢水中的應用進展。該綜述不僅加深了對環境功能材料與環境污染控制作用的理解，也為未來Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和還原金屬離子等相關領域的研究提供了參考和啟示。該論文自2024年6月發表以來，現已被引用42次（Web of Science），2025年5月入選ESI高被引論文。其中被國外學者引用25次，國際引用占比60%。

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2024年 12 月 24 日，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發表了 陽光凈水課題組 題為 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 綜述論文。本綜述全面總結了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高廢水處理和水凈化的有效改性策略，并重點闡述了MoS2bMats在環境污染物吸附、光催化降解和還原、Fenton高級氧化、PMS/PS活化氧化、廢水脫鹽（膜過濾和太陽能蒸發脫鹽）等方面的應用。最后，討論并提出了 MoS 2 bMats 理論研究與應用之間存在差距、工程挑戰、未來的研究方向和機遇。 該論文自 2024 年 12 月線上發表以來，現已被引用 18 次（ Web of Science ），國際引用占比55.5%。

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2025年 06 月 ，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》發表了陽光凈水課題組題為 “Sustainable chitosan-based adsorbents for phosphorus recovery and removal from wastewater: A review” 最新 綜述論文。本文全面綜述了用于廢水中磷回收和去除的殼聚糖基吸附材料（CSMats）的性質、改性方法、影響因素。同時，總結了CSMats吸附去除水體磷的主要作用機理（氫鍵、靜電作用、路易斯酸堿相互作用、配體/離子交換和表面沉淀作用）。此外，還歸納了CSMats的再生方法、連續流處理和在實際廢水中應用。 最后，討論了 CSMats除磷材料面臨的挑戰和未來發展方向。《 International Journal of Biological Macromolecules 》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環境、制藥、食品等領域的工業應用，2025年6月最新影響因子/中科院分區： 8. 50/ TOP 期刊。該論文自 2024 年1 月線上發表以來，現已被引用8 次（Web of Science ），國際引用占比75%。

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2024 年 1 月，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊發表了陽光凈水課題組題為 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的綜述性論文。更清潔、更安全的環境是未來最重要的要求之一。與傳統材料相比，殼聚糖具有豐富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和親水性，是一種更環保的功能材料。由于殼聚糖分子鏈上豐富的 -NH2 和 -OH 基團可以有效地與各種金屬離子螯合，殼聚糖基材料作為金屬氧化物納米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撐基質具有巨大的潛力。近年來，許多殼聚糖 / 金屬氧化物納米材料（ CS/MONM ）作為吸附劑、光催化劑、非均相類芬頓試劑和傳感器，在環境修復和監測中具有潛在和實際的應用。本綜述全面分析和總結了CS/MONMs復合材料的最新進展，這將為CS/MONMs復合材料的制備和廢水處理應用提供豐富而有意義的信息，并有助于研究人員更好地了解CS/MONMs復合材料在環境修復與監測中的潛力。該論文自 2024 年 1 月線上發表以來，現已被引用51 次（ Web of Science ），國際引用占比51.0%。

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2024 年 2 月，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發表了陽光凈水課題組題為 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的綜述性論文。污染物檢測和水凈化對于實現環境保護和資源利用非常重要。構建新型功能材料去除各種污染物也變得越來越重要和緊迫。本綜述總結了磁性殼聚糖（M-CSbMs）的3種可靠制備策略（原位策略、兩步策略和沉積后策略），并詳細介紹了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金屬離子、有機染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低濃度污染物等方面的研究進展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面臨的挑戰和前景，以期促進其在水凈化和固相萃取污染物方面的實際應用。該論文自 2024 年 2 月發表以來，現已被引用 41 次（ Web of Science ）。

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