阳能蒸汽发电（SSG）在海水淡化和染料废水处理方面具有广阔的应用前景，是缓解人类社会水资源短缺问题的有力手段。其中，光热转换材料是关键。优良的光热转换材料应当具备宽光谱吸收能力、高光热转换效率、高亲水性、低密度、低导热性等特点。多孔有机聚合物（POPs）可以在一定范围内满足上述要求，因此近年来在太阳能蒸汽发电领域大展身手。

共价有机框架（Covalent Organic Frameworks，COFs）是多孔有机聚合物的一个分支，除具备多孔性、结构可调、密度低等共有的优势，COFs还具有高结晶性和规则的孔道结构，因此在气体吸附，分离，催化，光电、传感等领域被广泛研究，但由于COFs的疏水性和有限的光吸收能力（尤其是近红外区），限制了其在太阳能蒸汽发电领域的应用。

为了解决上述问题，吉林大学陈龙教授等人以1，4，5，8-四氯-9，10-蒽二酮为前驱体合成了COFs单体，进而合成了具有良好亲水性和宽光谱吸收能力的COF（TPAD-COF），在模拟太阳光照射下表现出94%  的高能量转换效率和出色的水蒸发能力（1.42 kg m-2 h-1）。相关工作以“Superhydrophilic 2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation”为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。

图例-1.（a）单体的合成；（b）TPAD-COF的合成及其优势（亲水性、宽光谱吸收）；（c）TPAD-COF-BF2的合成

如图1所示，以TPAD-DMO和TPAD-NH2为单体，在乙酸催化下成功制备了TPAD-COF，为了进一步增加材料的光吸收范围，作者通过后修饰的策略将三氟化硼引入材料骨架之中，增强了体系的共轭程度。

图例-2.（a）TPAD-COF和TPAD-COF-BF2 的PXRD图；（b）TPAD-COF的AA堆积模型；（c）TPAD-COF 和 (d) TPAD-COF-BF2的N2吸脱附曲线及其孔径分布图。

PXRD结果表明合成的TPAD-COF具有高的结晶性，进一步后修饰得到的TPAD-COF-BF2仍然保持良好的结晶结构（图2a）。通过N2吸脱测试可知，TPAD-COF和TPAD-COF-BF2都呈现出Ⅰ型曲线，表明二者都是微孔结构，孔径在1.72 nm左右，TPAD-COF的BET比表面积为1170 m2 g -1，TPAD-COF-BF2的BET比表面积为531 m2 g –1。

图例-3.（a）TPAD-COF 和（b）TPAD-COF-BF2 表面上的水接触角随时间的变化；（c）不同膜的紫外-可见-红外吸收光谱；（d）COF膜在太阳照射下温度变化的循环测试；（e）太阳照射前后不同COF膜的光热图像

将20 mg COF 样品在乙醇中超声处理约10分钟，然后通过真空过滤在亲水性聚四氟乙烯膜（PTFE）上，然后自然干燥制备相应的COF膜。如图 3a 所示，TPAD-COF膜的水接触角（CA）测量结果表明，水液滴在1 s内完全浸润（即 CA=0°），表明TPAD-COF具有优异的亲水性，这主要是因为TPAD-COF的骨架中含有丰富的-NH-亲水性基团。相反，TPAD-COF-BF2具有超疏水性（图3b），可能的原因是COF骨架中引入了疏水的-BF2基团，并且亲水性-NH-基团大量减少。

如图 3c 所示，TPAD-COF和TPAD-COF-BF2膜都对紫外-可见光区及近红外光区有具有优良的吸收能力，吸收效率分别高达93.1%和94.4%。在模拟太阳光照射下监测 COF膜的表面温度，两种COF膜的表面温度在光照后迅速升高，并在几十秒内达到平衡，TPAD-COF-BF2 和TPAD-COF光照前后的温差 (ΔT) 分别可达58.0 °C和51.8 °C。相比之下，空白 PTFE 的 ΔT 仅为 5.3 °C，这表明TPAD-COF-BF2和TPAD-COF均具有出色的光热转换效率。

图例-4. (a) 光照下不同膜覆盖的水质量随时间的变化；(b) 基于TPAD-COF的SSG 装置脱盐前后海水中的离子浓度；(c) 基于TPAD-COF的SSG装置处理前后模拟污水(甲基橙(MO)和亚甲蓝(MB)水溶液)的紫外-可见吸收光谱。

如图4a 所示，得益于超亲水性和宽的光谱吸收能力，TPAD-COF膜的蒸发速率高达1.42 kg·m-2·h-1，相比之下，具有较高光吸收率（94.4%）的 TPAD-COF-BF2 反而表现出较低的蒸发速率（1.19 kg m-2 h-1），这是由其超疏水性引起的，作为比较，纯水和空白PTFE对照组则显示出低得多的蒸发速率，分别为 0.38 和 0.41 kg m-2 h-1。基于TPAD-COF的SSG 装置对海水进行淡化后，水中的离子浓度显着降低了三到四个数量级，符合世界卫生组织 (WHO) 规定的饮用水标准。此外，以甲基橙（MO）和亚甲蓝（MB）为污染物，进一步测试了TPAD-COF的污水处理能力，如图4c所示，紫外-可见吸收光谱表明净化后的水中几乎没有污染物。

Superhydrophilic 2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation

Xiaoli Yan, Shanzhi Lyu, Xiao-Qi Xu, Dr. Weiben Chen, Pengna Shang, Zongfan Yang, Guang Zhang, Prof. Weihua Chen, Prof. Yapei Wang, Prof. Long Chen

DOI: 10.1002/anie.202201900

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202201900


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