AFM|金屬配位共價有機骨架膜凈水協同光-熱-質工程

研究背景

隨著人類社會的持續快速發展，地表水資源面臨著復雜的工農業排放帶來的日益嚴重的污染，其中包括有問題的重金屬離子和揮發性有機化合物。為了解決這一問題，太陽能驅動的界面蒸發已經成為一種引人注目的、低能耗和可持續的水凈化技術，能夠從海水或非傳統水源中收集清潔的水。這些系統的性能關鍵取決于高效的光熱轉換材料，這需要廣譜的太陽能吸收來驅動高蒸發率。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--在太陽能驅動的蒸發中顯示出成功，但共價有機骨架(COF)最近引起了相當大的興趣。它們有序的納米孔、容易調節的孔徑和多功能官能團提供了一個獨特的平臺，使它們在高效太陽能蒸汽發電應用方面具有巨大的潛力。

COF代表了一類快速發展的多孔有機聚合物，通過強大的共價鍵由輕質元素(如C、O、N)巧妙地構建而成。大量的研究工作已經指向推進新的合成路線，精煉合成后修飾，并探索其廣泛的應用潛力。目前，COF在從氣體存儲/分離到多相催化和能量存儲的各個領域都顯示出令人信服的前景。然而，最近，它們在太陽能蒸汽發電中的應用已成為一個特別活躍的研究領域。Li等人開發的雙區COF/石墨烯水凝膠就是一個很好的例子。通過原位生長。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，從而增強了對太陽能的吸收，從而高效地產生蒸汽。在另一個案例中，從綠色植物光合作用中獲得靈感，田等人。設計了一種人造太陽能轉換器，將用于捕光的碳納米管與用于定向反應和運輸的基于COF的定向氣凝膠集成在一起，實現了高效的清潔水和過氧化氫生產。不可否認，這些探索標志著在利用COFS進行光熱蒸發方面取得了重要進展。

研究數據

圖1 COF膜結構示意圖，針對太陽能蒸汽產生和光催化中的光-熱-質轉換進行了優化。a)M-COF合成路線示意圖。b)通過DHA和TPA之間的席夫堿縮合反應合成了COF。c)所得的M-COF具有增強的光吸收性能。d)熱定位是通過限制在芳綸水凝膠中實現的。e)M-COFS吸附有機污染物，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可能配位位點的形成能。

圖4 基于COF膜和M-COF膜的太陽能蒸發光熱效應及性能。a) 不同TAPA比例合成的太陽能驅動膜隨時間變化的水質量變化曲線，附對應透水率。b) 不同DHA比例合成的太陽能驅動膜的水質量變化曲線。c) COF膜與M-COF膜的蒸發速率對比。d) COF膜與Co-COF膜的太陽光譜輻照度（AM 1.5 G）及吸收光譜。e) Co-COF膜在單日照條件下呈現局部熱梯度的溫度變化與紅外圖像。f) Co-COF膜的循環性能測試。

圖5 Co-COF膜的光熱催化性能、太陽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膜對苯酚的降解效果。b) Co-COF膜反應過程中DMPO-?OH和DMPO-SO4??的EPR譜圖。c) Co-COF膜中DMPO-?O2?的EPR譜圖。d) 酚類降解淬滅實驗。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。在太陽光照射下，COF膜和Co-COF膜的表面溫度a)和濕度b)發生變化。C)模擬水-空氣界面熱對流的變化。由COF和Co-COF膜的可見光-近紅外漫反射(R)光譜得到的Kubelka-Munk函數(F(R))。E)切割模型fcof和co-cof的HOMO和LUMO

研究結論

在這項工作中，我們提出了一種協同的光-熱-質量工程策略，克服了傳統太陽能驅動的水凈化的局限性。通過界面聚合，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。我們的發現表明，在單日照下，這些位置放大了界面的溫度和濕度梯度，從而驅動了強大的浮力對流，顯著加快了蒸發驅動的傳質效率。由此產生的Co-COF膜為海水淡化性能設定了新的基準，達到了99.996%的Na+去除效率，達到了世界衛生組織的標準。此外，EHOMO和ELUMO的戰略性調制導致了光學吸收的顯著近紅外紅移，從而擴大了可用于耦合光熱加熱和光催化降解的光子預算。這項工作不僅提供了對光、熱和質量傳遞之間相互作用的機械洞察，而且為開發用于可持續水管理的高效、自驅動膜技術奠定了基礎。

DOI：10.1002/adfm.202529163

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