第一作者：Awei Hu

通讯作者：Songlin Cui, Bo Liu

通讯单位：中国科学技术大学

DOI:10.1038/s41467-024-53902-1

成果掠影

中国科大刘波教授团队近期在《Nature Communications》发表研究论文，题为“Elastic Polymer Covalent Organic Frameworks for Highly Efficient Solar Steam Evaporation”。该研究采用卟啉环构建策略，合成了适应性强的弹性聚合物有机框架PP-PEG，展现出全光谱吸收与卓越的光热转换能力。通过精细的热管理设计以及对亲水性和PEG链长的优化，团队开发出基于PP-PEG的高效太阳能蒸汽蒸发器，在标准太阳辐照下，蒸发速率达到4.89 kg·m⁻²·h⁻¹。此外，结合简易截锥形反射器设计，蒸发速率进一步提升至18.88 kg·m⁻²·h⁻¹，刷新了太阳能蒸汽蒸发器的性能记录。此创新方案制备简便、效率高且耐用性强，为海水淡化和水净化领域提供了巨大应用前景。

01 研究背景

淡水资源的匮乏因人口膨胀、经济发展及气候变化而加剧，传统海水淡化技术因复杂处理流程和高昂成本而发展受限。太阳能蒸汽蒸发技术作为一种简便、高效且环保的替代方案，其性能受光热转换、热管理以及水传输管理的共同影响。相较于二维蒸发器，三维太阳能蒸汽蒸发器凭借轻质、高适应性和环境友好等特性，展现出更优的蒸发性能。共价有机框架（COFs），特别是能将光热功能单元均匀融入结构以实现高效光热转换的聚合物COFs（polyCOFs），备受瞩目。polyCOFs结合了COFs与线性聚合物的优势，展现出良好的机械性能和刺激响应性。因此，研发具有高光热转换效率、合理水传输路径、可控亲疏水性、可塑形状及优异机械性能的polyCOFs材料，对于提升太阳能蒸汽蒸发技术的性能至关重要。

图1 PP-PEG三维泡沫的制备和太阳能蒸汽蒸发示意图

02 要点精读

1.PP-DEG-Acid的制备与表征

合成了疏水性PP-DEG，采用吡咯与DEG-(Ph-CHO)2在丙酸中反应形成卟啉环（图2a）。PP-DEG-Acid呈非晶态，归因于DEG链中多σ键的可旋转性，致其多孔结构崩溃（图2b）。该材料在273 K下对CO2有显著吸附能力（13 cm³·g⁻¹），源于CO2与卟啉环的相互作用及DEG链展开提供的孔隙（图2b）。合成通过FT-IR、¹³C CP-MAS NMR和XPS验证（图2c, d）。PP-DEG-Acid热稳定性高（≤350°C），结构适应性强（二氯甲烷响应测试）。其微观形态受合成条件影响：搅拌回流得粉末，静态高压釜反应得疏水性单体，接触角120.8°（图2e, f），形态由球形变交联链（图2g），表明剪切力对产物形态至关重要。

图2 3DOM Co-OHNS的形貌和结构表征

2. PP-DEG-Acid单体的太阳能蒸发性能和自包含模式设计

1.PP-DEG-Acid泡沫展现出超98%的紫外-可见-近红外光吸收率，归因于卟啉单元（图3a）。模拟太阳光下，其表面温度迅速升高（图3b-d），表明高效光热转换，这得益于卟啉激发热辐射及柔性DEG链防止卟啉堆叠与自我猝灭。在水面漂浮状态下，10分钟内表面温度可达41.6℃（图3b, e），水蒸发速率为1.61 kg·m⁻²·h⁻¹（图3g）。然而，疏水性限制了水向泡沫顶部的传输，导致热量向水体扩散，影响蒸发。

2.为减少热量损失，本研究设计了自包含模式（图1b），包括太阳能蒸发器、吸水芯和浮体，利用毛细作用吸收并限制水，通过浮体隔离水体，减少热传导损失，并持续供水。此模式下，蒸发速率提升至2.39 kg·m⁻²·h⁻¹（图3g）。自包含模式不仅减少热传导，还通过利用泡沫侧面增加蒸发面积，促进冷蒸汽生成，提高蒸发性能。此外，泡沫弹性防止蒸发过程中塌陷，保持蒸发性能。

图3 基于PP-DEG-Acid蒸发器的太阳能蒸汽蒸发

3. 亲水性和PEG链长对太阳能蒸汽蒸发的影响

疏水性PP-DEG-Acid泡沫表现出优异的光热转换性能，但蒸发速率一般。表面润湿性对太阳能蒸发系统的水运输和供应至关重要。为此，作者通过原位添加醋酸纤维素CA（PP-DEG-DMF）增强泡沫亲水性。实验显示，5 wt% CA添加量（PP-DEG-DMF-5 wt% CA）保持宏观结构稳定性，提升弹性和可压缩性，形成海绵状中孔和大孔结构，利于水储存、运输和多重散射（图4a-e）。此泡沫在自包含模式下，10 wt% CA添加量达最高蒸发速率4.22 kg·m⁻²·h⁻¹（图4j）。PEG链长对光吸收率影响有限，PP-PEG-600-DMF 5 wt% CA展现最高蒸发率4.09 kg·m⁻²·h⁻¹（图4k），推测长PEG链防止卟啉聚集和猝灭，保持光热转换功能。因此，CA添加和长PEG链有利于提升蒸发性能。

图4 亲水性和 PEG 链长对太阳能蒸发的影响

4. 被优化后的PP-PEG-600-DMF-10 wt%太阳能蒸汽蒸发器和反射镜辅助增强

经优化，PP-PEG-600-DMF-10 wt% CA在1个太阳辐照下蒸发率达4.89 kg·m⁻²·h⁻¹（图5a），在去离子水中表现出卓越稳定性（图5b）。DSC测试显示蒸发焓降至2126 J/g，采用水团簇和中间水理论进行能量平衡分析。在实际黄海海水淡化应用中，该泡沫作为太阳能蒸汽蒸发器，处理后冷凝水中离子浓度远低于WHO饮用水标准（图5d），且在宽pH范围海水和废水中均表现出色（图5e）。为增强侧面蒸发，设计45°铝制截锥形反射器，与PP-PEG-600-DMF-10 wt% CA结合使用时，蒸发率提升至18.88 kg·m⁻²·h⁻¹（图5f），创文献报道新高（图5c）。

图5 优化后的PP-PEG-600-DMF-10 wt% CA泡沫太阳能蒸汽蒸发器

03 结论与展望

综上所述，本研究合成了具有高全光谱吸收率、高效光热转换及强亲水性的卟啉基弹性聚合物COFs单体，并创新性地设计了自包含与反射器辅助蒸发模式，充分利用三维蒸发器顶面和侧面，实现了18.88 kg·m⁻²·h⁻¹的高蒸发速率，适用于太阳能脱盐与净化。该成果为低成本、高效海水淡化技术提供了新途径，拓展了polyCOFs的应用领域。

声明：以上内容仅反映作者个人见解，鉴于作者学识所限，若存有不严谨之处，请后台留言指正！

热忱欢迎各位学术界同仁分享或提交关于光-热-电能源利用、表界面化学的相关资讯、研究成果及文章，携手共促领域的繁荣前行：grdn_connect@163.com (推广合作同号)