Nat. Water:超宽光谱吸收共价有机框架用于高效太阳能水蒸发

共价有机框架（COFs）在太阳能驱动水蒸发（SDWE）领域展现出应用前景。然而，已报道的COFs本质上缺乏捕获红外光的能力，导致光热转换效率较低，从而阻碍了水蒸发速率。

在此，北京大学郭少军教授，北京理工大学李红博教授，北京化工大学刘友星副教授等人报道了一类Cl功能化的COFs，其具有覆盖200–1500 nm的超宽带吸收和强非辐射弛豫能力，可用于增强SDWE性能。所合成的TTB-pPA COFs（其中TTB为2,4,6-三氯-1,3,5-三醛基苯，pPA为对苯二胺）在1个太阳光照下60秒内温度显著升高至125.3 °C，优于不含Cl原子的COFs（60.7 °C）。以TTB-pPA COFs作为光热转换层构建的SDWE装置，表现出高达7.62 kg m-2 h-1的水蒸发速率，显著优于此前报道的水蒸发装置。

此外，所定制开发的水蒸发装置在自然光照条件下展现出60天的长期稳定性，同时纯水产量（杂质含量<0.1%）达到30–45 L m-2 d-1，可满足12–18人的饮用水需求。总体而言，这项工作强调了设计具有宽光吸收范围和强非辐射电子衰减能力的COFs在增强太阳能驱动海水淡化能力方面的重要意义。

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研究背景

全球淡水短缺对人类生计和社会可持续发展构成了紧迫而严峻的威胁。在此背景下，海水淡化作为一种极具前景的策略，可缓解全球淡水短缺问题，因为海洋是地球上的主要水库。 以反渗透为代表的传统海水淡化技术受限于巨大的能耗和高昂的基础设施成本，这些因素使其在偏远、离网地区的部署在经济和操作上均不可行。

过去十年中，太阳能驱动界面水蒸发技术作为一种前沿、环境可持续的替代方案脱颖而出。该技术利用太阳能并将其转化为热能，实现高效水蒸馏，从而为基于海水的淡水生产提供了一条可行途径。作为太阳能驱动水蒸发系统的核心组件，光热材料发挥着关键作用。实现高太阳能-热能转换效率不仅需要广谱太阳光吸收，还需要高效的非辐射弛豫。

大量研究致力于开发半导体基光热材料，包括无机材料、有机材料、金属-有机框架和共价有机框架（COFs），以拓宽光吸收范围，提高光利用效率。在这些材料中，COFs作为一类新兴的多孔材料，在太阳能驱动水蒸发应用中引起了广泛的研究关注。这主要归因于其固有优势，包括高孔隙率、优异的官能团可调性、模块化结构可设计性和优异的化学稳定性。然而，已报道的COF材料表现出狭窄的吸收波长范围，通常在200 nm至550 nm之间，这一特性严重限制了对长波长可见光和近红外光的利用，从而导致低光热转换效率，这是阻碍基于COF的光热系统发展的关键因素。

图文导读

为调控光吸收并抑制辐射衰减，作者将羟基和Cl原子精确引入BTB-pPA COFs的电子供体单元，合成了TTB-pPA、TFP-pPA和BTB-pPA三种COFs。XRD显示三者在约4.4°、8.6°和26.6°处出现衍射峰，分别对应（100）、（220）和（021）晶面，与A-A堆叠模型一致，其开放孔结构有利于水蒸气传输。通过表征化学键显示，NMR在152 ppm处显示C=N特征位移，同时TTB-pPA的XPS证实C、N、Cl存在，C 1s谱中283.7、285.6和287.6 eV分别归属C-C/C=C、C=N和C–Cl，N 1s谱中284.3和285.0 eV对应N-C和N=C，FT-IR在1620 cm-1处的吸收峰与拉曼一致，共同证实亚胺键形成。元素分布分析表明C、N、Cl均匀分布，验证了Cl在框架中的均匀整合。此外，N2吸附-脱附显示TTB-pPA、TFP-pPA和BTB-pPA的比表面积分别为683.2、709.1和658.6 m2 g-1，孔径分别为1.9、1.9和2.0 nm，证实其多孔结构。

图1：化学结构表征

TTB-pPA COFs具有最宽的光吸收光谱（200–1500 nm），优于TFP-pPA和BTB-pPA COFs。红外热成像表明，TTB-pPA COF在1个太阳光照下60秒内光热温度达125.3 °C，高于TFP-pPA（85.3 °C）和BTB-pPA（60.7 °C），验证了其优异的太阳能-热能转换效率。DFT计算揭示了TTB-pPA中Cl 3p轨道的p带中心为−1.11 eV，比TFP-pPA中O 2p轨道（−1.38 eV）更接近费米能级，表明Cl引入缩小了带隙，拓宽了光吸收范围。同时，Cl 3p轨道的电子扰动达34.6%，高于O 2p的27.3%，增强了自旋-轨道耦合，提高了有效载流子密度。塞贝克系数明显降低，证实其高载流子浓度，与Boltzmann输运模拟一致。高载流子浓度加速了光生载流子的非辐射弛豫，增强光热转换。此外，TTB-pPA的電導率和热导率均低于TFP-pPA和BTB-pPA，有利于局部热积累。Cl引入阻碍电子转移并增强声子散射，使σ/τ和κ/τ降低，300 K下晶格热导率仅3.18 W m-1 K-1，低于BTB-pPA（3.54）和TFP-pPA（4.11）。非谐声子散射分析显示TTB-pPA具有更强的非谐声子散射（n=0.33）和更短的声子寿命（τ=1.01 fs）。

图2：光热转换性能

图3a展示了TTB-pPA COFs分子的低频振动模式。值得注意的是，相对于TFP-pPA COFs，TTB-pPA COFs中的最大声子频率从约40 THz降低至约20 THz（图3b,c），这有利于电子激发的热化，从而增强太阳能-热能转换。折射率（n）和消光系数（k）谱显示，TTB-pPA COFs在可见光和红外区域表现出更小的n和k值（图3d,e），这可以提高光热转换效率。有限差分时域（FDTD）模拟表明，相对于TFP-pPA和BTB-pPA COFs，TTB-pPA COFs在50 nm至500 nm的粒径范围内表现出更优异的光吸收和光热场局域化（图3f），进一步验证了其高光热转换能力。

图3：光热转换机理的理论计算

通过接触角和DSC测试表明，TTB-pPA COFs比BTB-pPA和TFP-pPA具有更强疏水性和更低蒸发焓，更利于水蒸发。作者构建了由水凝胶传输层、三聚氰胺泡沫支撑体、COF光热层和纳米囊泡凝胶脱附层组成的HG/MF@COFs@NVG蒸发器。在1个太阳光照下，HG/MF@TTB-pPA COFs@NVG蒸发器实现7.62 kg m-2 h-1的稳态水蒸发速率，显著高于BTB-pPA（2.13）和TFP-pPA（1.19），也优于此前报道的蒸发器。TTB-pPA的太阳能-热能转换效率达91.93%，远超TFP-pPA（30.31%）和BTB-pPA（16.12%）。冷凝水中主要阳离子浓度均低于10 mg L-1，杂质含量<0.1%，其他水质指标也符合WHO饮用水标准。蒸发器经十次循环后性能无明显退化，长期压力测试后结构保持完整，XPS证实亚胺键完整且表面无杂质，表明优异的稳定性与抗污染性。该蒸发器在污水、海水和自来水等多种水体中均表现高蒸发通量。

图4：水分蒸发性能

为评估大规模饮用水生产的可行性，作者开发了一种新型流动池太阳能驱动水蒸发系统（图5a，b）。在2个月期间，对户外水蒸发性能进行了监测。以2025年6月25日为代表性案例，HG/MF@TTB-pPA COFs@NVG光热模块的表面温度可迅速达到54.2 °C，高于环境温度（16.1 °C），表明其在自然阳光下的出色光热转换效率。该系统的最大水蒸发速率达到5.2 kg m-2 h-1（图5c）。流动池太阳能驱动蒸发系统的日饮用水产量为30至45 L m-2 d-1，足以满足12–18人的日常饮用水需求（按人均消耗2.5 L d-1计算）。值得注意的是，该系统在60天内保持了稳定的水蒸发性能。这种长期稳定性进一步证实了该系统的卓越运行可靠性，并验证了自然阳光驱动水蒸发技术的可行性。

图5：户外太阳能驱动水蒸发性能

全文总结

综上所述，本文报道了一类TTB-pPA COFs，其具有覆盖200 nm至1500 nm的宽光吸收范围，可用于增强太阳能驱动水蒸发。同时，证明Cl原子的引入诱导了自旋-轨道-声子耦合，从而促进非辐射弛豫过程，提高了太阳能-热能转换效率。所制备的TTB-pPA COFs在1个太阳光照下60秒内表面温度达到125.3 °C，明显高于不含Cl的COFs（60.7 °C）和OH功能化的COFs（85.3 °C）。TTB-pPA COFs优异的光热转换温度赋予其高水蒸发能力。研究表明，以TTB-pPA COFs作为光热转换层构建的HG/MF@TTB-pPA COFs@NVG蒸发器表现出高达7.62 kg m-2 h-1的太阳能驱动水蒸发速率，超越了此前报道的活性材料。此外，自主设计的流动池太阳能驱动水蒸发装置实现了30–45 L m-2 d-1的纯水产量，并保持60天的运行稳定性。该性能足以满足12–18人的日常饮用水需求，从而验证了所提出系统在自然光照条件下大规模生产纯净水的可行性。

文献信息

Yachao Xu, Zhong Zhou, Bojing Sun, Qinqin Li, Ying Wang, Ruolan Zhao, Zheng Lin, Zongqiang Sun, Youxing Liu, Hongbo Li, Shaojun Guo, Covalent organic frameworks with ultra-broadband absorption for efficient solar-driven water evaporation, Nature Water , https://doi.org/10.1038/s44221-026-00687-w

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