南京工业大学研究生，南京工业大学研究生院
在过去的几十年里，现代社会的快速发展和不断增长的人口导致全球淡水和清洁能源严重短缺。蒸馏产生的淡水纯度较高，但传统蒸馏法耗能大，迫切需要探索一条环保且经济高效的途径。受自然水文循环的启发，界面太阳能蒸汽发电 (SVG) 系统在使用取之不尽、用之不竭的太阳能且对环境影响最小的可持续淡水发电中引起了越来越多的关注。为了提高蒸发效率，人们努力通过加强整个太阳光谱中的光吸收和光热转换能力来开发高性能光热材料（例如等离子体纳米粒子、半导体和碳）。此外，水活化对于减少水蒸发（即蒸发焓）以加速蒸汽产生的大量能量需求至关重要。为了满足这些需求，杂交和后处理经常被采用应用，但直接设计有利于简化制备过程以获得更好的可扩展性和稳定性的光热材料具有挑战性，并且通常提供有限的太阳能驱动水蒸发率（<2 kg m-2 h-1 在 1 个太阳辐射下，粉末密度为 1 kW·m−2)。当前，在这一领域，挑战之一来自于设计具有强大光收集、光热转换和水活化能力的高性能光热材料。
来自南京工业大学的学者证明了离子共价有机框架（iCOF）的合理化可以同时满足这些多重要求，并且通过席夫碱化学在快速微波辅助溶剂热途径中使用亲水性染料分子番红T作为构建新的iCOF STTP离子积木。集成的染料相关离子部分极大地增强了从紫外-可见到红外区域的整个太阳光谱的光吸收率 (>97%)。框架离子部分提供强极化以降低激子解离能以增强光热效应，此外，促进充分的水活化以降低水蒸发焓。因此，STTP 驱动的太阳能水蒸发器提供了 3.55 kg h−1 m−2的快速水蒸发率和 95.8% 的高太阳能蒸汽效率。这项研究强调了设计用于光热应用的 iCOF 材料的潜力。相关文章以“Ionic Dye Based Covalent Organic Frameworks for Photothermal Water Evaporation”标题发表在Advanced Functional Materials。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202213810
图 1. 促进光热水蒸发的多功能 iCOF。a) 基于iCOF的界面光热水蒸发系统示意图。b,c) 离子位点起到 b) 激子和c) 水态调节的作用。
图 2. iCOF 的合成 a) 在微波辅助溶剂热路线中合成 STTP。b) STTP 的实验、模拟（蚀（AA）和交错（AB））和 Pawley 细化 XRD 图及其差异。c) STTP 在 195 K 时的CO2 吸附等温线。d) STTP 的HR-TEM 图像。e) 选定红色正方形区域的傅立叶滤波图像。f) ST、TP 和 STTP 的 FT-IR 光谱。g) STTP 的 13C CP-MAS 固态NMR 谱。h) SEM 和 i) STTP 的 AFM 图像。j) 从 AFM 图像中获得相应的 STTP 高度剖面。
图 3. 光吸收、激子效应和光热转换。a) STTP 和 ST 的紫外-可见-红外光谱。b) STTP 和 ST 水溶液 (100 μg mL−1) 的紫外-可见-近红外光谱。c) 用于 DFT 计算的 STTP 的代表性片段。d) DBTP、DPTP 和 STTP的电子、空穴和激子（IP、EA、IP* 和 EA*）的氧化还原电势。e) 氧化还原电位与基本（或带）间隙 ΔEfund 和光学间隙 ΔEopt 之间的关系。f) STTP 的集成温度依赖性荧光 (TD-PF) 发射强度作为阿伦尼乌斯方程拟合的温度的函数。g) 在 808 nm 激光照射 (2 W cm−2) 下600 秒内，水、STTP、DBTP 和 DPTP 水溶液的温度随时间的变化。h) 在 808 nm 激光照射 (2 W cm−2) 600 s 后，从 STTP 水溶液 (200 μg mL−1) 的冷却时间拟合的时间和 -ln 之间的线性关系。i) STTP 水溶液 (100 μg mL−1) 在 808 nm 激光照射下四个开/关循环期间的时间分辨温度曲线。
图 4. 水活化和太阳能蒸发。a) STTP、DBTP 和 DPTP中 IW 与 FW 的比值。b) 从暗实验中获得的水汽化焓。c) STTP 涂层 CM 的紫外-可见-红外光谱加上太阳光谱。d) 界面水蒸发装置示意图。e）一次太阳照射下随时间变化的水蒸发量变化。f) 纯水、空白CM和STTP的太阳能到蒸汽转换效率和蒸发速率。g) STTP 和最近报道的聚合物在 1 次太阳照射下的光热水蒸发性能比较。h) 模拟海水淡化前后Na+、Mg2+、K+、Ca2+浓度。i) STTP循环脱盐。
总之，在快速微波辅助溶剂热合成路线中，本研究通过染料基离子单体和中性连接体的直接缩合，合成了一种具有跨越全太阳光谱的强光捕获能力的 iCOF。集成的基于染料的离子部分不仅增强了光吸收和光热转换效率，而且通过提供与水分子的强相互作用显着促进了水的活化。源自离子部分的极化降低了激子解离能，从而抑制了非热发射以获得更好的光热效率。由于这些独特的优势，这种简单合成的 iCOF 在太阳能蒸汽生成中用作高性能光热材料，表现出快速的水蒸发速率和高太阳能蒸汽效率。这项工作通过在分子水平上调制 iCOF 矩阵，为有效光热材料在太阳能水蒸发中的潜在应用开辟了一条新途径。（文：SSC）
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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