文献解读丨[Nat. Water最新] 超宽光谱吸收共价有机框架用于高效太阳能水蒸发

三人行，必有我师焉；择其善者而从之，其不善者而改之。

——《论语・述而》

【今天解读太阳能界面蒸发领域的一篇文章，发表于Nature Water 的研究论文《Covalent organic frameworks with ultra‑broadband absorption for efficient solar‑driven water evaporation》。通讯作者：郭少军、李红博、刘友星】

注：文献解读融合编者观点，非单纯翻译，欢迎指正。如涉侵权请联系删除。

全球淡水资源短缺是制约人类生存与社会可持续发展的重大难题。海水占地球绝大多数水资源，海水淡化是解决淡水缺口的重要路径。传统反渗透淡化技术能耗高、基建成本昂贵，很难在偏远离网地区推广。

太阳能驱动界面水蒸发（SDWE），利用太阳能光热转换实现海水蒸馏产淡水，低成本、低碳，是面向分散式供水的极具潜力的技术。光热材料是整套系统的核心，高性能光热材料需要同时满足两点：宽光谱太阳光捕获 + 高效非辐射弛豫（把光能量转化成热，而不是荧光辐射损耗）。

共价有机框架 COF，是一类结晶多孔有机高分子，具备孔隙率高、分子可精准模块化设计、化学稳定性好的优点，在太阳能蒸发领域备受关注。但是现有 COF 光热材料存在显著短板：

• 光吸收波段窄，大多只吸收 200‑550 nm，大量可见光、近红外太阳光无法利用。

• 激发态载流子容易发生辐射复合发光，大量能量以光形式损耗，光‑热转换效率低。

这两个瓶颈极大限制 COF 在太阳能蒸发领域的实际性能，开发宽吸收、强非辐射弛豫的新型 COF，是该领域的关键挑战。

发现

已报道 COF 基光热材料局限：

1. 吸收截止边短，无法充分利用近红外波段太阳能；

2. 分子内部辐射衰减占比高，光激发能量大量以荧光形式耗散，而不是变成热能；

3. 缺少分子层面的改性策略同时解决 “拓宽吸收” 和 “促进非辐射弛豫” 两个问题。

很多工作只聚焦 COF 的孔道、形貌改性，很少从分子骨架电子结构角度去调控自旋‑轨道耦合、声子散射，实现同时扩宽光谱、加速非辐射弛豫。 作者发现：在 COF 骨架引入 Cl 氯原子，可以调控电子轨道，增强自旋‑轨道耦合效应，同时缩小带隙拓宽光吸收，并且强化非辐射弛豫，提升光热能力。

对比三组 COF： TTB‑pPA COF（Cl 功能化，本文新合成）； TFP‑pPA COF（羟基‑OH 取代）； BTB‑pPA COF（无卤素、无羟基，对照组）。

设计

作者设计氯功能化 TTB‑pPA COF，单体为 2,4,6‑三氯‑1,3,5‑三醛苯 (TTB) 和对苯二胺 (pPA)，溶剂热法合成亚胺键连接的 COF 晶体。

1. 分子层面设计

   将 Cl 原子精准嵌入 COF 给体单元骨架。Cl 的 3p 轨道靠近费米能级，缩小带隙，实现 200‑1500 nm 超宽光谱吸收；同时 Cl 引入强自旋‑轨道耦合，加速光生载流子的非辐射弛豫，把光能高效转化为晶格热能。

2. 器件层级架构设计 HG/MF@TTB‑pPA COFs@NVG 蒸发器

• MF 三聚氰胺泡沫：支撑基底；

• HG 水凝胶层：输水，提供水传输通道；

• TTB‑pPA COF：核心光热转换层；

• NVG 纳米囊泡凝胶：辅助水脱附。 这套复合结构兼顾光热、水输运、界面水脱附，构建完整界面蒸发系统。

  
  

图 1｜TTB‑pPA、TFP‑pPA、BTB‑pPA 三种 COF 分子结构示意图

验证

按照「材料结构表征→光热性能→理论计算揭示机理→蒸发器室内蒸发性能→多水质适应性→户外长时间实地示范」逐层递进验证。

1. COF 材料结构与化学表征

XRD 证实三种 COF 均为 AA 堆叠晶体结构；固态核磁、XPS、FT‑IR、Raman 证实亚胺键 C=N 成功生成；元素映射证明 Cl 元素在 TTB‑pPA COF 骨架均匀分布；氮气吸附脱附测试证实材料具备高比表面积、开放孔道，利于水蒸气输运。

2. 光热性能测试

紫外‑可见‑近红外吸收光谱：TTB‑pPA COF 实现200‑1500 nm 超宽光谱吸收，远优于无氯的两组对比 COF。 红外热成像：1 倍太阳光照射 60 s，TTB‑pPA COF 表面温度快速达到125.3 ℃；TFP‑pPA（羟基）85.3 ℃；BTB‑pPA（无 Cl）仅 60.7 ℃，直观证明 Cl 修饰带来巨大光热提升。

图 2｜三种 COF 的光吸收、红外热成像、热电输运性能

3. DFT、Boltzmann 输运、FDTD 理论揭示内在机理

1. 电子层面

   Cl‑3p 轨道 P 带中心更靠近费米能级，缩小带隙，实现红移拓宽吸收；Cl 带来更强自旋‑轨道耦合，载流子浓度提升，促进光生载流子非辐射复合（俄歇复合）。

2. 声子层面

   Cl 原子带来低频分子振动模式，声子色散向低频移动，增强非谐声子散射，声子寿命变短，进一步加速光‑热转化。

3. Boltzmann 输运计算：TTB‑pPA COF 电导率、热导率下降，利于热量局域在光热层，减少热散失。

4. FDTD 时域有限差分仿真：50‑500 nm 颗粒尺寸范围内，TTB‑pPA 均具备更强光局域增强效果。

核心机理总结：Cl 原子引入，同时实现①带隙缩小，拓宽 200‑1500 nm 光吸收；②增强自旋‑轨道耦合，促进载流子非辐射弛豫；③强化非谐声子散射，加速电子‑声子能量转换；④降低热导率，实现热量局域，多重协同实现优异光热性能。

图 3｜声子色散、折射率消光系数、FDTD 光场仿真结果

4. 室内蒸发器蒸发性能

HG/MF@TTB‑pPA COFs@NVG 蒸发器，1 sun 模拟太阳光：

• 蒸发速率高达 7.62 kg m⁻² h⁻¹ ，光‑热转换效率 91.93%，显著优于 TFP‑pPA、BTB‑pPA 对照组，也优于大量已报道文献；

• 淡化后冷凝水 Na⁺、Mg²⁺等主要阳离子含量全部＜10 mg L⁻¹，杂质占比＜0.1%，满足 WHO 饮用水标准；

• 耐多种水质：海水、酸碱污水、亚甲基蓝有机污水都可以高效蒸发净化；

• 循环测试，多次循环性能无明显衰减，化学结构稳定，抗污染。

  
  

图 4｜室内蒸发性能、离子去除、循环稳定性

5. 户外原型装置实地测试（论文很大亮点）

搭建流动池户外原型设备，直接用自然太阳光开展长达60 天连续户外实验。

• 典型晴天，最高产水速率 5.2 kg m⁻² h⁻¹；

• 日均产水 30‑45 L m⁻² d⁻¹ ，产水量可满足 12‑18 个人每日饮用水需求；

• 60 天户外长期运行，蒸发性能维持稳定，材料结构保持完整，证明面向实际应用的巨大潜力。

  
  

图 5｜户外原型装置实物，昼夜产水曲线，60 天长期运行数据

总结与展望

本文在分子骨架层面通过引入氯原子修饰 COF，获得 TTB‑pPA COF，实现 200‑1500 nm 超宽光谱捕获；Cl 原子带来强自旋‑轨道‑声子耦合效应，大幅促进非辐射弛豫，实现优异光热转换。 基于该 COF 构建复合蒸发器，1‑sun 下蒸发速率 7.62 kg m⁻² h⁻¹；进一步搭建户外流动式原型，连续稳定运行 60 天，日产淡水 30‑45 L m⁻²，水质达到饮用水标准，具备实际分散式供水潜力。

设计思路启迪

1. COF 基光热材料不能只盯着孔道、形貌改性， 分子骨架电子结构修饰是非常重要的突破口 ；引入卤素 Cl，通过自旋‑轨道耦合调控载流子弛豫是提升光热性能的有效策略。

2. 优秀光热材料需要兼顾两点：①尽可能宽的太阳光吸收；②尽可能强的非辐射弛豫，把吸收光子高效变成热，抑制辐射发光损耗。两者缺一不可。

3. 太阳能蒸发论文，除了实验室模拟光源数据， 户外原型 + 长时间实地测试 是迈向实际应用的重要证据，这篇 Nature Water 的一大亮点就是 60 天户外连续运行原型实验。

文章启示：面向太阳能蒸发的 COF 光热材料，从分子电子‑声子尺度调控自旋‑轨道耦合，是一条非常有前景的设计路线。