Small | 铂基光热聚合物的化学修饰以增强太阳能吸收与蒸汽生成|pu|光热聚合物|化学修饰|太阳能|蒸发器|蒸汽

研究背景

全球淡水资源严重短缺，仅有约0.06%的淡水资源易于获取，而海水淡化是满足未来用水需求的重要解决方案。然而，传统的海水淡化技术（如反渗透、多效蒸馏等）存在成本高、能耗大、基础设施复杂等问题，难以在发展中国家和欠发达国家普及。界面太阳能蒸汽发电（ISSG）技术作为一种有前景的替代方案，可将热量集中在气-水界面进行蒸发，具有高太阳能-蒸汽转换效率且无需依赖电力。该技术的核心部件是太阳能蒸发器，其性能在很大程度上取决于光热材料的光吸收能力。尽管碳基材料等被广泛研究，但有机金属聚合物的分子结构可灵活调控，从而能实现更优的宽光谱光吸收性能。本研究旨在通过合理的分子设计，开发新型铂基光热聚合物，以提升ISSG系统的蒸发效率和应用潜力。

相关工作以“Chemical Modification of Platinum-Based Photothermal Polymer toward Enhanced Solar Absorption and Steam Generation”为题，发布在《Small》期刊上。（中科院二区，JCR一区，IF=12.1）

研究数据

图1.合成有机金属聚合物的分子结构和蒸发器的制造工艺。(a)C1的铂配合物和M1的相应聚合物的分子结构。(b)C2的铂配合物和M2的相应聚合物的分子结构。(c)利用所制备的光热聚合物制造太阳能蒸发器的工艺。

图2.表征。(a)BDDA、M1和M2的FTIR光谱。(b)M1和M2的TGA曲线。(c)薄膜状态下BDDA、C1和C2的所有单体的吸收光谱。(d)M1和M2的一个重复单元的优化的S0几何结构，以及相应的计算的LUMO和HOMO能级。(e)PU、M1PU和M2PU的UV-Vis-NIR吸收光谱。

图3.表面形态。(a)PU、(b)负载M1的PU(M1PU)和(c)负载M2的PU(M2PU)的扫描电子显微镜图像。干(d)PU、(e)M1PU和(f)湿M1PU的三维显微镜图像。

图4.热响应。(a)干M1PU和M2PU在光照7分钟后在1太阳下的热像。(b)干M1PU和M2PU在开关光循环下的光热响应，以及曝光7分钟后PU在1个太阳下的热像(插图)。(c)M1PU系统在1个日照下的温度分布，(II-v)湿M1PU在0.7、1、1.5和2个日照下的顶面温度。

图5.所制备的蒸发器(M1PU和M2PU)的室内实验结果。(a)ISSG机制。(b)聚合物M1和M2的光热机理。(c)室内实验装置。(d)蒸发率(ER)和相应的水质量变化率(插图)，在没有蒸发器和有蒸发器的情况下，在1个太阳下。(e)在不同太阳辐射强度下，存在M1PU时水和海水的质量变化率。(f)M1PU的相应蒸发速率(ER)和效率。(g)在M1PU存在的情况下，在1太阳下不同含盐量浓水的蒸发速率。(h)在长达8小时的试验中，M1PU在1个太阳下的质量变化和相应的水和海水的蒸发速率。(i)所制备的蒸发器的盐扩散机理。(j)M1PU循环试验和盐扩散过程(插图)。

图6.户外实验。(a)室外条件下的实验装置图解。(b)不同时间的太阳辐射和相应的海水蒸发率。(c)与气象站建立基于ISSG的水收集系统。(d)室外实验8h后，不同时间、不同取水量的太阳照射(插图)。(e)海水和纯净水中不同阳离子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+)的浓度。(f)在1个太阳下M1PU存在时，染料污染水的质量变化和相应的蒸发速率(ER)(插图)。(g-i)亚甲基蓝(MB)、甲基橙和罗丹明B(RhB)蒸发净化前后的吸光度。

研究结论

本研究成功设计并合成了两种新型铂基D-A聚合物（M1和M2）。研究表明，M1因其更平面的分子骨架结构，通过配体到配体电荷转移（LLCT）和分子内电荷转移（ICT）的协同效应，表现出优于M2的光热性能。基于M1的太阳能蒸发器（M1PU）在1太阳光照下实现了1.87 kg m-2 h-1的水蒸发速率，比M2PU高出约33.57%。该蒸发器在淡化天然海水和高浓度盐水（最高20 wt.% NaCl）方面表现出色，且蒸发器顶部表面无盐结晶积累，具备自清洁能力。此外，M1PU系统还能有效净化染料废水，产生的淡化水和净化水均达到高质量标准。户外实验表明，在平均太阳辐照度为0.58 kW m-2的条件下，该ISSG系统8小时内可生产约8.5 L m-2的淡水。这项工作证实了通过分子结构调控可高效开发用于太阳能淡化的光热材料。