网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

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

0
分享至

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。


特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
蔡康永试探口风失败,说了一堆有的没的,就是不敢说自己反对台独

蔡康永试探口风失败,说了一堆有的没的,就是不敢说自己反对台独

芊手若
2026-10-27 20:44:36
三石弟弟对肉丝放水!

三石弟弟对肉丝放水!

八卦疯叔
2026-10-19 10:25:15
胶州湾曾被誉为中国顶级天然良港,可面对如今吃水超 23 米的 40 万吨巨轮,它还能跟上时代吗?

胶州湾曾被誉为中国顶级天然良港,可面对如今吃水超 23 米的 40 万吨巨轮,它还能跟上时代吗?

回京历史梦
2026-10-26 02:55:09
升糖大户被揪出,是米饭的12倍!升糖超快5种主食,很多人不知道

升糖大户被揪出,是米饭的12倍!升糖超快5种主食,很多人不知道

荷兰豆爱健康
2026-10-25 04:15:46
看蒋万安给他三个儿子起的名字,终于暴露了本性,再也藏不住了

看蒋万安给他三个儿子起的名字,终于暴露了本性,再也藏不住了

凡人侃史
2026-09-04 12:08:37
桑多河谷冲突中,第13、21、54军已蓄势待发,本打算一役了结中印争端,为何最终取消了作战任务?

桑多河谷冲突中,第13、21、54军已蓄势待发,本打算一役了结中印争端,为何最终取消了作战任务?

人生录
2026-07-28 00:05:06
这条勒脖子的珍珠项链,藏着辛普森夫人的梦,可惜她至死都未能实现

这条勒脖子的珍珠项链,藏着辛普森夫人的梦,可惜她至死都未能实现

照见古今
2026-10-27 15:10:09
特朗普跟普京的秘密交易藏不住了!联俄抗中这招,中国不得不防!

特朗普跟普京的秘密交易藏不住了!联俄抗中这招,中国不得不防!

玲儿爱唱歌
2026-10-26 21:21:29
刀法精准!iPad mini 8发布:5499元起,只有512GB顶配才是满血A20 Pro

刀法精准!iPad mini 8发布:5499元起,只有512GB顶配才是满血A20 Pro

泡泡网
2026-10-27 10:11:10
歌手苏醒自曝跟好几个朋友都闹掰了,原因都是对方借了钱没还;本人发文:看大家笑这么开心,我也就没那么难过了

歌手苏醒自曝跟好几个朋友都闹掰了,原因都是对方借了钱没还;本人发文:看大家笑这么开心,我也就没那么难过了

台州交通广播
2026-10-26 08:09:34
乌克兰承认“星链”受限是自己的错?特朗普和马斯克正摧毁美国军工业

乌克兰承认“星链”受限是自己的错?特朗普和马斯克正摧毁美国军工业

鹰眼Defence
2026-10-27 16:53:48
内娱审美再下降,赵丽颖复出造型被群嘲,网友让她体面退休,太扎心

内娱审美再下降,赵丽颖复出造型被群嘲,网友让她体面退休,太扎心

蹲坑看世界
2026-10-26 12:33:13
8中8还客串主教练!库里空气投篮驱逐戈登美媒调侃 勇士终迎首胜

8中8还客串主教练!库里空气投篮驱逐戈登美媒调侃 勇士终迎首胜

颜小白的篮球梦
2026-10-27 12:43:49
开局被打一比八!林诗栋狼狈倒地,谁料破局关键竟是这一记神摔?

开局被打一比八!林诗栋狼狈倒地,谁料破局关键竟是这一记神摔?

大鱼简科
2026-10-27 09:48:48
日自卫队前高官福山隆称:一周全歼中国海军,前提不能用东风导弹

日自卫队前高官福山隆称:一周全歼中国海军,前提不能用东风导弹

聊历史的阿稼
2026-10-26 11:20:08
高志凯提出了一个反向设问:俄罗斯既然觉得经蒙古向中国输气是一条好路,也可以让俄气先进入中国,再借中国管网送往印度,印度愿意吗?

高志凯提出了一个反向设问:俄罗斯既然觉得经蒙古向中国输气是一条好路,也可以让俄气先进入中国,再借中国管网送往印度,印度愿意吗?

扶苏聊历史
2026-09-22 16:45:33
客场三连败,广东队想要摆脱困境,必须裁掉三人,交易一人

客场三连败,广东队想要摆脱困境,必须裁掉三人,交易一人

南海浪花
2026-10-27 09:57:29
高梓淇爸爸节目首提蔡琳,对前儿媳和孙子称呼疏离,心有不满怨念

高梓淇爸爸节目首提蔡琳,对前儿媳和孙子称呼疏离,心有不满怨念

原梦叁生
2026-10-27 12:15:00
哈文定居纽约富人区,不靠遗产过日子,女儿提前毕业给了她最大底气

哈文定居纽约富人区,不靠遗产过日子,女儿提前毕业给了她最大底气

子芫伴你成长
2026-10-27 00:05:08
全球伴侣“时长”数据公开,有人30秒有人半小时,专家:不是越长越好!

全球伴侣“时长”数据公开,有人30秒有人半小时,专家:不是越长越好!

思思夜话
2026-10-27 12:57:00
2026-10-27 21:24:49
热质纳能 incentive-icons
热质纳能
传热、传质、纳米、能源
3079文章数 78关注度
往期回顾 全部

科技要闻

Anthropic最硬气招股书,先把丑话说在前头

头条要闻

25岁女生患肠癌休学一年后重返校园 复查显示无瘤生存

头条要闻

25岁女生患肠癌休学一年后重返校园 复查显示无瘤生存

体育要闻

世界上最无趣的前锋,拿下了金球奖

娱乐要闻

芒果遇到厉娜和许飞笑发财了!

财经要闻

韩国芯片出口额可能下降高达1000亿美元

汽车要闻

纯电续航1003km 大五座SUV腾势N8正式开启预订

态度原创

本地
房产
手机
时尚
公开课

本地新闻

十月奔赴迪庆,解锁梅里日照金山

房产要闻

从全国第一跌到第七!海南人,放下生娃焦虑!

手机要闻

iOS 27.2正式版新变化汇总:新增限制摇一摇广告,修复大量安全漏洞

王菲到底影响了多少人?

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版