文献速递 | 骆昱晖&李振声&李盛亮 small methods 基于COF构建光热水蒸发器

第一作者：黄忠明

通讯作者：骆昱晖 李振声 李盛亮

DOI:doi.org/10.1002/smtd.202100036

前言

近日，江苏海洋大学骆昱晖博士与香港城市大学李振声教授和苏州大学李盛亮教授课题组共同设计并合成了一种基于二酮吡咯(DPP)的新型COF结构，并探究了其在太阳能光热转化方面的应用。

背景介绍

清洁水资源的短缺严重威胁着人类发展。过去的数十年间，科学家发展出了大量的淡水纯化技术。在这些方法中，利用太阳能光热蒸发水成为最有前途的技术之一。大量的用于太阳能水蒸发的新材料已经被报道出来，例如，等离子金属、碳基材料、半导体材料、聚合物和其他复合材料。在太阳能利用过程中，蒸发体的蒸发效率很强取决于吸收体材料，因为主要依靠吸收体材料吸收光并把太阳能转移用于水蒸发加热。理想的太阳能吸收材料应具有宽频带太阳能吸收、高光热转换效率和热约束等特性。在这些材料中，共价有机框架(COFs)是一种新型的有机框架类晶体多孔聚合物，近来研究证明其有希望在催化、气体吸附、能量储存和传感等领域发挥重要作用。然而，针对太阳能水蒸发而设计的COF还很少见。

图表解析

图一展示了基于DPP结构的COF的合成过程、结构图和基本表征结果。

紧接着，作者利用原位交联技术复合COF和聚乙烯醇（PVA）制备杂化的水凝胶，并通过冷冻干燥技术制备具备多级孔结构的太阳光蒸发器（COFHS, 图2）。SEM数据显示蒸发体内部的孔径约100微米，同时，COF材料均匀地分布在蒸发体的内部。固体紫外光谱显示COFHS蒸发体具有较宽的的吸光能力，同时在太阳光模拟器的照射下，展示出较强的光热转换能力。

之后，作者构建太阳光水蒸发模型，证明了水蒸发体系的可行性。考察了在不同太阳光照射的下蒸发体的升温情况和水蒸发速度。在理想状态下，水蒸发的速度达到2.5 kg ·m^-2· h^-1。同时光热转换的效率达到94.5 %。COFHS的蒸发稳定性证明，在光照射12小时和经历较多的循环后，蒸发速度仍然不会降低。纯化后得到水中的金属离子浓度下降达到3个数量级，达到WHO的可饮用水标准。

最后，作者考察了COFHS室外真实环境中的水收集能力。利用一个设计好的透明的可密封的容器中，放置在室外接受太阳光照（图四）。每隔一个小时分别记录环境中温度和湿度变化。同时每隔一个小时记录太阳光照强度和收集水的速度，经过计算最高水收集速度达到1.7 kg ·m^-2· h^-1。

文献信息：

Marriage of 2D Covalent–Organic Framework and 3D Network as Stable Solar-Thermal Stillfor Efficient Solar Steam Generation, Small methods. 2021, 202100036.

https://doi.org/10.1002/smtd.202100036

本文所使用仪器

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素材来源：江苏海洋大学骆昱晖博士、香港城市大学李振声教授和苏州大学李盛亮教授课题组。