清洁水资源短缺是人类面临的主要威胁之一,随着全球人口的不断膨胀和工业化进程的加快,这一问题变得越来越严重。由于无处不在的绿色 太阳 能,通过太阳能光热产生蒸汽(SSG)进行海水淡化或生活污水净化是解决这一问题的有效手段。SSG是一种可持续的技术,它直接将太阳能转化为蒸发水的热量。作为SSG的关键组成部分,光热转换 材料 (光吸收体)受到了极大的关注。原则上,有前途的光热转换材料应该具有组合的优点,包括宽的光吸收、高的太阳热转换效率、高的 亲水性 、开放的多孔性、低密度和低热导率。为了满足这些要求,已经开发了各种光热转换材料,例如碳基材料、金属纳米颗粒、金属氧化物、天然生物材料、和聚合物吸收剂。

多孔有机聚合物固有的疏水性和有限的光吸收,特别是在近红外(NIR)区域,是阻碍其在太阳能蒸汽产生 (SSG)中应用的两个瓶颈。近日,吉林大学等单位的研究人员开发了一种基于1,4,5,8四(苯氨基)蒽-9,10-二酮(TPAD)的共价有机框架(COF) (TPAD-COF),其特征在于超亲水性和宽的光吸收,覆盖了SSG从整个紫外/可见到近红外区域。TPAD-COF作为一种不含任何添加剂的高效光热转换材料,表现出1.42 kg/m2/h的出色水分蒸发,并且在1个太阳光强度照射下实现了94%的高能量转换效率。通过螯合BF2分子的合成后修饰,实现了TPAD基COF光吸收范围的进一步扩展。系统的控制实验和分析证实,光热转换材料的亲水性在当前用于SSG的TPAD基COFs中起着更为主导的作用。这项研究工作以“Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation”为题发表在国际顶级期刊《 Angew . Chem. Int. Ed.》上。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202201900

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图1. 合成制备图

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图2. 粉末X射线衍射(PXRD)测试

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图3 照片(左),a) TPAD-COF和b) TPAD-COF-BF2表面水接触角随时间的变化。c)不同膜的紫外/可见-红外吸收光谱。d)在1个太阳照射下COF膜的温度变化的循环测试。e)在太阳照射之前和之后不同COF膜的光热图像

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图4 a)在一次阳光照射下,由不同膜覆盖的水的质量随时间的变化。b)通过与TPAD-COF组装的SSG装置脱盐前后海水中的离子浓度。虚线代表世界卫生组织饮用水标准。c)模拟污水(甲基橙(MO)和亚甲基蓝(MB)水溶液)在用与TPAD-COF组装的SSG装置处理之前和之后的UV/Vis吸收光谱

综上所述,作者制备了一种超亲水的TPAD-COF材料,它具有从整个紫外/可见到近红外区域的宽光吸收。值得注意的是,TPAD-COF被证明是一种有效的SSG光吸收器,具有1.42 kg/m2/h的高水分蒸发率,在一个太阳光强度照射下,太阳能转换效率为94%,优于大多数混合材料和木炭处理的持久性有机污染物。同时,通过螯合BF2分子,TPAD-COF-BF2观察到了亲水到疏水的转变,提高了光吸收。不同TPAD-COF之间的比较研究表明,在当前情况下,亲水性对SSG起更大的主导作用。这项工作展示了一种新的途径,通过整合近红外染料来构建高效的基于COF的光热转换材料用于光热水蒸发。(文:one end)

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