【MOF光热材料】金属有机框架材料应用于海水淡化

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摘要：
浙江大学叶志镇&彭新生老师等报道的本篇文章（Commun Mater 5, 92 (2024)）中综述了金属-有机框架（Metal-organic frameworks, MOFs）在太阳能驱动的海水淡化中的研究进展。由于淡水资源的日益稀缺和能源需求的增长，利用太阳能进行清洁水生产的技术受到了广泛关注。MOFs因其高比表面积和高孔隙率，被认为是理想的水处理材料。本文回顾了MOFs薄膜、复合材料及MOFs基衍生物的功能化进展，并讨论了如何有效进行海水淡化同时防止盐沉积。此外，还探讨了集成污染物降解和能量产生的脱盐系统，进一步扩展了太阳能界面水蒸发脱盐技术的应用场景。

研究背景：
1. 全球范围内淡水资源的稀缺和水污染问题日益严重，传统的海水淡化技术如反渗透和蒸馏能耗高，成本大，且对环境可能产生负面影响。
2. 现有的研究主要集中在开发新型的光热材料，如金属纳米颗粒、半导体、聚合物和碳材料等，用以提高太阳能到热能的转换效率。
3. 作者在现有研究的基础上，提出了利用MOFs作为光热材料的新思路，通过结构调控和复合其他光热剂，显著提高了光吸收和光热效率，同时解决了盐沉积问题，延长了设备的使用寿命。

实验部分：
1. MOFs薄膜制备实验：
   - 作者采用特定的合成方法制备了具有高比表面积和高孔隙率的MOFs薄膜，这些薄膜作为太阳能吸收和水蒸发的基础材料。
   - 实验中使用了Cu-CAT-1作为基础材料，通过在铜线上生长Cu(OH)2纳米线并以其为基础合成Cu-CAT1 MOF纳米棒，制备了Cu-CAT-1 Metal-Organic Hierarchical Structures (MHSs)。
2. 复合材料制作实验：
   - 通过将MOFs与其他光热材料复合，如通过在石墨烯上施加ZIF层制备的G@ZIF纳米复合材料，以及通过在多孔聚偏二氟乙烯(PVDF)基底上涂覆聚苯胺(PANI)制备的CBAP膜，开发了具有高光热转换效率的复合材料。
3. 性能测试实验：
   - 对所制备材料的光热性能进行了测试，包括光吸收率、蒸发速率和太阳能蒸汽效率等。
   - 例如，MHS在太阳辐射范围内实现了超过97.6%的卓越光吸收，并且在油污染水中保持了约1.2 kg m−2h−1的高蒸发率，显示了出色的抗油污染能力。
4. 稳定性测试实验：
   - 对MOFs结构在水稳定性测试中的稳定性进行了评估，包括粉末X射线衍射图案和基于气体吸附的BET表面积，以确定MOFs在水环境下是否失去了晶体性或结构孔隙性。
5. 多功能应用实验：
   - 探索了MOFs基蒸发器的多功能应用，如将MOFs用于水处理和电力生产等。

分析测试：
1. 光热转换效率测试：
   - 通过使用不同含量的CBC-500（从0%到2%）的蒸发设备，观察到光吸收的增加，表明CBC-500的加入增强了设备的光热转换能力。
2. 比表面积和孔隙结构分析：
   - 利用氮吸附-脱附等温曲线测试了MOFs的比表面积和孔隙结构，尽管具体数值未在摘要中提及，但这些测试结果对于理解材料的吸附和传输特性至关重要。
3. 热稳定性测试：
   - 对MOFs结构的热稳定性进行了评估，以确保它们在长期应用中的可靠性和效率。
4. 电导率测试：
   - 通过电导率测试评估了MOFs衍生材料的电导性能，这对于理解材料在光电化学应用中的潜力具有重要意义。
5. 太阳能蒸汽效率测试：
   - 使用太阳能蒸汽效率(ηs-v,%)作为评估SDIWE性能的通用指标，尽管具体数值未提及，但这一指标对于比较不同材料的性能至关重要。
6. 盐分沉积测试：
   - 通过设计具有超亲水通道的蒸发设备，研究了盐分在蒸发界面的扩散和回流机制，以防止盐分沉积。
7. 抗菌性能测试：
   - 通过合成具有抗菌性能的MOF基复合材料，如Ag/PANI/GO@MIL-125，评估了材料对细菌的抑制效果。
8. 能量转换效率测试：
   - 评估了MOFs在太阳能驱动的水蒸发过程中同时产生电力的潜力，例如通过PVDF膜的热电效应产生的开路电压。

总结：
本文的工作主要集中在MOFs在太阳能驱动海水淡化中的应用，通过材料设计和结构优化，实现了高效的太阳能到热能的转换，同时解决了盐沉积和设备稳定性的问题。这些工作不仅提高了海水淡化技术的效率，也为太阳能利用和清洁能源生产提供了新的思路。

展望：
1. MOFs在实验室条件下显示出优异的性能，但其生产成本相对较高，需要进一步研究以降低成本，以便于大规模应用。
2. 需要对MOFs材料在实际海水淡化环境中的长期稳定性进行更深入的研究，以确保技术的可靠性。
3. 应评估MOFs材料在海水淡化过程中对环境的潜在影响，包括材料的生物降解性和对海洋生态系统的影响。

Metal-organic frameworks for solar-driven desalination
文章作者：Panyouwen Zhang, Yue Hu, Bing Yao, Jingyun Guo, Zhizhen Ye & Xinsheng Peng
DOI：10.1038/s43246-024-00534-z
文章链接：https://www.nature.com/articles/s43246-024-00534-z

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