JHM||配體功能化金屬有機框架蒸發器，用于同步淡水生產和農業廢水修復

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研究背景

針對農業生產中因人口密度增加和環境污染導致的水資源短缺與能源危機，太陽能驅動界面蒸發技術被視為緩解水危機的有效途徑，但其應用中原水有機污染物濃度逐漸升高，存在二次污染風險。為此，研究者提出將界面蒸發與光催化降解耦合，其中基于過氧單硫酸鹽（PMS）的先進氧化工藝能產生活性氧物種（如SO??·和·OH），可高效降解污染物。為實現蒸發與催化的雙重功能，經典MOF材料MIL-101-NH?因其高比表面積和可調性被廣泛關注，但其帶隙較寬、光生載流子壽命短。通過配體功能化引入氰基（-CN）可調節能隙與光學性質，提升光吸收與催化性能，從而構建雙功能光熱-光催化材料。此外，木材因其各向異性孔道、低導熱性、親水性及富含羥基的組分，可作為理想的支撐基材，促進水分輸送、蒸汽擴散并為MOF負載提供結合位點，從而支撐高效穩定的太陽能驅動蒸發-催化系統。

基于上述設計策略，本研究成功通過丙烯腈將氰基（-CN）引入MIL-101-NH?，并首次將其與天然木材相結合，構筑出一種集成式木材基蒸發器（M-NH-CN/木材），用于同步實現高效太陽能淡水生產與吡蟲啉（IMD）降解。該集成系統展現出多重優勢：首先，木材固有的各向異性多孔結構保障了高效的水分輸運與蒸汽擴散；其次，MOF通過配位作用與木材基底穩定結合，克服了傳統涂層易剝離的缺點；再者，氰基的引入有效調節了MOF的電子結構，縮小其帶隙，從而提升光吸收能力并加速電荷轉移，顯著增強了光催化降解IMD的性能；此外，親水性MOF框架有助于降低水的蒸發焓，使系統在1個太陽光強下實現2.24 kg m?2 h?1的高蒸發速率。該工作為設計兼具海水淡化、污染物降解及潛在農業應用的多功能光熱-催化系統提供了新思路。

相關研究以“Ligand-functionalized metal-organic framework-based evaporator for synchronous freshwater production and agricultural wastewater remediation”為題，發表在國際知名期刊《JOURNAL OF HAZARDOUS MATERIALS》上。（中科院一區TOP，JCR一區，IF=11.3）

M-NH-CN/木材用于太陽能驅動界面蒸發、IMD降解及作物灌溉的示意圖

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相關數據

圖1. (a) M-NH-CN/木材合成過程示意圖。(b) PTA-NH?與PTA-NH-CN的1H NMR譜圖。δ a', b′, c′ = 7.75 (d, 1H), 7.01 (dd, 1H), 7.37 (d, 1H)。δ a', b′, c′, d′, e′, f′ = 7.93 (d, 1H), 7.18 (d, 1H), 7.32 (s, 1H), 8.07 (s, 1H), 3.58 (t, 2H), 2.85 (t, 2H)。(c) PTA-NH?與PTA-NH-CN的FT-IR光譜。(d) 天然木材縱切面的SEM圖像。(e) M-NH-CN/木材的SEM圖像。(f) M-NH-CN/木材的EDX映射圖。

圖2. (a) 樣品的XRD衍射圖譜。(b) 木材與M-NH-CN/木材的XPS光譜。(c) M-NH-CN/木材的高分辨率Fe 2p光譜。(d) M-NH-CN/木材的高分辨率N 1s光譜。(e) 帶隙能量 (f) 價帶XPS光譜 (g) M-NH?與M-NH-CN的能帶對齊圖 (h) 木材、M-NH?/木材及M-NH-CN/木材的紫外-可見-近紅外吸收光譜 (i) M-NH-CN/木材的光熱機理示意圖。

圖3. (a) M-NH-CN/木質材料在不同時間點的紅外熱成像圖。(b) 水、木質材料、M-NH?/木質材料及M-NH-CN/木質材料的質量變化曲線。(c) 水蒸發速率與已報道木質蒸發器的對比。(d) 木質材料與M-NH-CN/木質材料的差示掃描量熱譜圖。(e) M-NH-CN/木材太陽能蒸發過程及機理示意圖。(f) 連續太陽能脫鹽過程中M-NH-CN/木材表面鹽分沉積照片。(g) 耐鹽機制示意圖。

圖4. (a) 不同條件下IMD的降解過程。(b) IMD降解的動力學速率常數。(c) 吸附于M-NH?和M-NH-CN上的PMS的密度泛函理論計算模型。(d, e) 吸附于M-NH?和M-NH-CN上的PMS的電荷密度差圖。(f, g) M-NH?與M-NH-CN的密度態能級圖。 (h) DMPO-·OH與DMPO-SO??·。 (i) M-NH-CN/木材+PMS體系中TEMP-1O?的響應曲線。

圖5. (a) M-NH-CN/木材+PMS體系中IMD的擬議降解機制。 (b) M-NH-CN/木材+PMS體系中IMD的擬議降解途徑。

圖6. (a) 太陽能蒸發器實驗裝置示意圖。(b) 太陽能驅動界面蒸發海水前后離子濃度變化。(c) M-NH-CN/木質材料的循環性能。(d) RhB處理前后紫外光譜。(e) 凈化海水灌溉植物生長過程示意圖。

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研究結論

本研究通過在金屬有機框架（MOFs）末端引入電子吸引基團-CN，成功制備了一種新型木質蒸發器。-CN的引入能有效調控能帶結構，從而提升光吸收能力。理論計算進一步證實：-CN基團能顯著提升PMS吸收能，調控電子結構并增強IMD的光催化降解效率。憑借此創新設計，該蒸發器在PMS系統中實現高速水分蒸發（2.24 kg m?2 h?1）與卓越的IMD降解率（99.2%），兼具優異的凈化、自脫鹽及循環利用能力。此外，蒸發系統收集的淡水可進一步用于支持向日葵等植物生長。新型木質蒸發器的開發為淡水生產和離岸淡水農業提供了寶貴的應用前景。

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DOI:10.1016/j.jhazmat.2025.138841

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