东华大学廖耀祖团队 ACS AMI：规模化制备卟啉基共轭微孔聚合物光热转换海绵用于高效海水淡化

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利用光热转换机制实现海水淡化是解决全球淡水资源短缺问题最具潜力的途径之一。具有π共轭结构的材料由于其电子激发能降低，吸收波长红移，因此具有独特的光热、光电转换功能。共轭微孔聚合物(Conjugated microporous polymers, CMPs)具有独特的π共轭结构，高比表面积和低导热率，以及灵活的分子设计性，是一种极具潜力的光热转换材料，在海水淡化和污水净化等方面具有良好的发展前景和应用价值。近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室、材料科学与工程学院廖耀祖教授团队在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了题为“Scalable Fabrication of Conjugated Microporous Polymer Sponges for Efficient Solar Steam Generation”的研究论文。作者通过Buchwald-Hartwig偶联反应合成具有高光热转换效率的卟啉基共轭微孔聚合物（PACMP），并通过简单浸涂法制备了多孔蒸发海绵（PACS），构建了集海水快速蒸发、高效淡化、自漂浮和可回收等多功能为一体的共轭微孔聚合物基太阳能蒸发器。

该论文通过Buchwald-Hartwig交叉偶联反应合成了具有强光热转换性能的卟啉/苯胺基共轭微孔聚合物 (PACMP)。接着，使用葡糖酸-壳聚糖绿色交联剂（GA-C），通过浸涂法将PACMPs 嵌入聚氨酯 (PU) 海绵骨架上（图1a，图2d）。PACMP骨架与PU骨架通过交联剂桥连“互穿网络”确保了两者稳定的结合。卟啉基共轭微孔聚合物作为新型光吸收剂，具有高光吸收率（84.7%）和低导热率（0.06 W m^-1 K^-1），有利于充分利用太阳光并防止热量损失。光照下，均匀、稳定负载在海绵骨架上的PACMP加热海水，并且海绵内部孔隙通过毛细作用传输海水，通过独特的结构设计构建了蓄热、传质双功能新型太阳能蒸发器PACS（图1b）。

图1 (a) PACMPs 和 PACSs 合成与制备和(b) 太阳能热蒸发器 PACSs的结构设计

聚合物海绵PACS具有质量轻、可规模化制备及良好机械性能的优点（图2a-b）。同时，PACS具有远低于碳基及金属基光热转换材料的导热率（干燥时0.047 ± 0.002 W m^-1 K^-1，吸水饱和时0.618 ± 0.020 W m^-1 K^-1），有利于降低热量损失。

图2 (a)规模化制备PACS，(b) PACS良好的压缩性能，(c-d)PU海绵和PACS电镜照片

在标准太阳光（1 kW m^-2）照射下，PACS在干燥和吸水饱和状态时其表面温度变化都比纯PU海绵和海水快，且升温更加明显（图3a-b）。通过优化PACMP负载质量，PACS的蒸发速率及光热转换效率逐渐上升（图3c），最高海水蒸发速率达到1.31 kg m^-2 h^-1，光热转换效率高达86.3%（PACS-120）。然而继续增加PACMP负载量，PACS的蒸发性能有所降低（如PACS-180），这是由于过量的PACMP负载导致海绵内部孔道堵塞，阻碍了海水的传输。多次循环测试发现，PACS-120的海水蒸发速率及光热转换效率稳定（图3d）。

图3 (a)干燥和(b)吸水饱和状态下PU 海绵、PACS及海水表面光照下温度变化曲线，(c)PU海绵、PACS及海水及(d)PACS-120循环蒸发速率及光热转换效率

将聚合物海绵PACS-120用于黄海海水淡化发现，其蒸发水中的主要金属离子去除率99.9%以上，相应离子浓度符合世界卫生组织和我国生活饮用水卫生标准（图4a-b）。聚合物海绵还能净化染料废水，染料去除率达到99.2%以上（图4c）。在自然光照下，PACS-120的蒸发速率最高可达2.35 kg m^-2 h^-1（图4d），是模拟海水的1.9倍。

图4 聚合物海绵PACS-120的实际应用：海水及蒸发水的(a)电导率及(b)金属离子浓度，(c)PACS-120用于染料去除的紫外-可见吸光度曲线，(d)自然光照下PACS-120和模拟海水蒸发速率对比曲线

因此，光热转换卟啉基共轭微孔聚合物海绵体在海水淡化和染料脱色方面具有重要的实际应用价值。同时，该新型聚合物材料还有望用于其他光热应用领域如光热催化、光热杀菌等。

该论文第一作者为东华大学石玉博士，通讯作者为东华大学廖耀祖教授。该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市优秀学科带头人计划、上海市曙光人才计划、上海市浦江人才计划、上海市自然科学基金、中央高校重点基金等经费支持。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c21693

通讯作者及课题组简介

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通讯作者介绍：

廖耀祖，教授、博导，同济大学和美国UCLA联培博士，英国布里斯托大学、德国柏林工业大学博士后，现任东华大学材料科学与工程学院副院长、中国材料研究学会纤维材料改性与复合技术分会秘书长、中国纺织工业联合会智能纤维技术及制品重点实验室副主任。入选上海市优秀学术带头人（2021）、教育部国家级青年人才（2019）、上海市曙光学者（2019）、上海市浦江学者（2016）、德国洪堡学者（2015）、欧盟玛丽居里学者（2013）等人才计划。从事功能纤维与有机多孔材料研究，近年发表第一/通讯作者Adv. Mater.(2篇)、Adv. Funct. Mater.(2篇)、Chem. Mater.(2篇)、ACS Appl. Mater. Interfaces(4篇)等SCI论文60余篇，总引3000余次。参编中英文教材2部，获授权国家发明专利23项。获英国皇家化学会J. Mater. Chem. A新锐科学家（2021）、爱思唯尔全球前2%科学家（2021）、上海市青年五四奖章（2020）、英国牛顿基金旅行奖（2015）、上海市研究生优秀成果奖（2013）、中国纺织工业联合会教学成果特等奖及二等奖（2021）等奖励。主持国家自然科学基金（4项）、上海市科委自然科学基金（2项）、华为公司合作项目等课题18项。担任Molecules、东华大学学报（英文版、自科版）编委、Advanced Fiber Materials及中国材料进展青年编委等。

课题组介绍：

东华大学聚合物基环境能源材料课题组成立于2016年1月，目前拥有教授2名，副教授1名，讲师2名，博士生16名、硕士生13名。课题组主要从事聚合物基环境能源框架材料研究，包括共轭微孔聚合物、共价有机框架及其宏观材料如纤维、膜、气凝胶、海绵与衍生多孔炭材料等。特别关注功能导向共轭聚合物框架材料的设计与合成，探索它们在环境能源方面的应用如光电催化、毒害物分离检测、碳捕获、能源存储与转换等。

课题组网页链接:

https://www.x-mol.com/groups/liao_yaozu

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