高(gāo)分(fēn)子(zǐ)科(kē)學前沿2月(yuè)13日(rì)訊：淡水(shuǐ)Ω短(duǎn)缺是(shì)社會(huì)發展面臨的(de)一(yī)個(gè)日(rì)益嚴峻的(de)挑戰。陽光(guāng)驅動蒸發是(shì)利用λ(yòng)太陽能(néng)作(zuò)為(wèi)光(guāng)源，它作(zuò)為(wèi)蒸發器(qì)‌将太陽能(néng)轉化(huà)為(wèi)熱(rè)量，以産生(shēng)蒸汽，是(shì)從(cóng)海(hǎi)水(shuǐ)和(hé)廢水(shuǐ)中提取潔淨水(sh☆uǐ)的(de)一(yī)種最有(yǒu)前途的(de)技(jì)術(shù)。為(wèi)了(le)達到(dào)高(gāo)的(de)水(shuǐ)蒸發率和(hé)太陽熱(rè)轉換效✘率，理(lǐ)想的(de)材料應該具有(yǒu)廣泛的(de)吸收-有(yǒu)效利用(yòng)大(dà)部分(fēn)的(de)太 陽光(guāng)譜、低(dī)熱(rè)導率-抑制(zhì)熱(rè)損失和(hé)三維(3D)多(±duō)孔通(tōng)道(dào)-有(yǒu)效的(de)水(shuǐ)運輸。

近(jìn)日(rì)，柏林(lín)工(gōng)業(yè)大(dà)學Arne Thomas教授團隊成功地(dì)制(zhì)備了(le)一(yī)種共價有(€yǒu)機(jī)框架（COF）/石墨烯水(shuǐ)凝膠(CGH)基太陽能(néng)蒸汽發生(shēng)器(qì)，'其中包含由裝載COF的(de)還(hái)原氧化(huà)石墨烯(COF@rGO)形成的(de)親水(shuǐ)區(qū)域和(hé)由純還(hái)原​氧化(huà)石墨烯(rGO)形成的(de)疏水(shuǐ)區(qū)域。通(tōng)過精确控制(zhì)兩個(gè)潤濕區(qū)域，混合水(sh•uǐ)凝膠顯示出有(yǒu)效的(de)捕光(guāng)、可(kě)調的(de)潤濕性、優化(huà)的(de)含水(shuǐ)量，并降低(dī)了(le)水(shδuǐ)汽化(huà)的(de)能(néng)量需求。作(zuò)為(wèi)太陽能(néng)吸收體>(tǐ)，雙區(qū)水(shuǐ)凝膠在1 kW m-2太陽照(zhào)射下(xià)的(de)産汽率高(gāo)達3.69 kg m-2 h-1，可(kě)&用(yòng)于從(cóng)海(hǎi)水(shuǐ)和(hé)污水(shuǐ)中生(shēng)産飲用(yòng)水(shuǐ)。相(xiàng)關工(gōng)作(zuò)以&l≈dquo;A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water G✘eneration”發表在《JACS》。

圖1 COF/CGH基太陽能(néng)蒸汽發生(shēng)器(qì)

【COF/CGH的(de)制(zhì)備和(hé)表征】

COF/CGH是(shì)使用(yòng)水(shuǐ)熱(rè)法将磺酸功能(néng)化(huà)的(de)COF(COF-SO3H)可(kě)控沉積到∏(dào)還(hái)原氧化(huà)石墨烯上(shàng)實現(xiàn)的(de)。由于含有(yǒu)大(dà)量−SO3H基 團，具有(yǒu)超親水(shuǐ)性。将COF單體(tǐ)加入到(dào)氧化(huà)石墨烯(GO)分(fēn)散體(tǐ)中構建三維毛細管通(tōng)道(dào)，同時(shí)調節潤濕©性。

COF/CGH具有(yǒu)用(yòng)于內(nèi)部水(shuǐ)輸運的(de)大(dà)孔毛細管通₽(tōng)道(dào)，其中不(bù)僅僅是(shì)形成了(le)物(wù)理(lǐ)的(de)rGγO-COF混合物(wù)，二維COF沿二維還(hái)原氧化(huà)石墨烯納米片表面原位生(shēng)長(cháng)☆。磺化(huà)基團能(néng)夠産生(shēng)活性水(shuǐ)用(yòng)于蒸汽的(de)快(kuà i)速産生(shēng)，而該水(shuǐ)凝膠COF載荷最多(duō)可(kě)達42.05%。厚度和(hé)γ粗糙度的(de)增加是(shì)由于多(duō)層COF在rGO表面的(de)均勻生(shēng)長(cháng)造成←的(de)，這(zhè)有(yǒu)利于減少(shǎo)光(guāng)反射，進一(yī)步增強光(guāng)吸收。此外(wài)，COF的(de)引入明(mí≈ng)顯提高(gāo)了(le)寬頻(pín)帶光(guāng)吸收，而引入COF-SO3H可(kě)以有(yǒu)效地(dì)獲取入射太陽光(guānβg)。

圖2 COF/CGH的(de)制(zhì)備和(hé)表征

【COF/CGH的(de)産汽效能(néng)】

在COF/rGO水(shuǐ)凝膠強大(dà)的(de)水(shuǐ)輸運效能(néng)可(kě)能(néng)歸因于：①COF的(de)引入擴大(dà)了(le)水(shuǐ)凝膠網↓絡的(de)孔隙，使其能(néng)夠容納更多(duō)的(de)水(shuǐ)；②親水(shuǐ)&m≠inus;SO3H/−SO3−COF中的(de)基團與水(shuǐ)分(fēn)子(zǐ)形成強烈的(de)靜(jìng)↔電(diàn)作(zuò)用(yòng)和(hé)氫鍵，使更多(duō)的(de)水(shuǐ)可(→kě)以在網絡內(nèi)部結合；③COF本身(shēn)作(zuò)為(wèi)多(duō)孔材料，也(yě)可(kě)以吸附大(dà)量的(de)水(shuǐ)分(fēn)子(zǐ©)。

CGHs能(néng)夠有(yǒu)效活化(huà)水(shuǐ)，改善水(shuǐ)的(de)蒸發，中間(jiān)水(shuǐ)與遊離(lí)水(shuǐ)之比（I•W/FW）比值最高(gāo)的(de)CGH-50的(de)顯示最高(gāo)的(de)水(shuǐ)運率（59.0 g min&min÷us;1），可(kě)見(jiàn)水(shuǐ)凝膠中存在一(yī)個(gè)最佳的(de)表面功能(néng)與大(dà)孔隙孔✔徑比例，這(zhè)兩者都(dōu)影(yǐng)響水(shuǐ)的(de)含量和(hé)狀态，而疏水(shuǐ)/親水(shuǐ)區(q∞ū)比例是(shì)水(shuǐ)活化(huà)的(de)主要(yào)因素，通(tōng)過可(kě)控調節這(zhè)個(gè)比值，水(shuǐ)分(fē£n)蒸發是(shì)可(kě)以調節的(de)。

圖3 COF/CGH的(de)産汽效能(néng)

總體(tǐ)而言,雙親水(shuǐ)/疏水(shuǐ)區(qū)域水(shuǐ)凝膠的(de)滲透孔隙通(tōng)道(dào)與3D傳輸通(tō∏ng)道(dào)可(kě)以是(shì)一(yī)個(gè)很(hěn)好(hǎo)的(de)太陽能(néng)蒸發器(qì)的(de)優勢,∞它有(yǒu)可(kě)調的(de)親水(shuǐ)性、更高(gāo)太陽能(néng)吸光(guāng)度、優化(huà)的(de)含水(shuǐ)量和(hé)狀态、較低(dī)蒸發焓。

【COF/CGH基太陽能(néng)的(de)處理(lǐ)水(shuǐ)能(néng)力】

海(hǎi)水(shuǐ)經過該太陽能(néng)水(shuǐ)蒸發淡化(huà)系統，離(lí)子(zǐ)濃度(Na+、K+、Ca2+、Mg2+)顯著降低(d§ī)了(le)4個(gè)數(shù)量級。除海(hǎi)水(shuǐ)外(wài)，含重金(jīn)屬廢水(shuǐ)淨化(hu÷à)後，Cr3+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Ga3+等重金(jīn)屬離(lí)子(zǐ)的(de)濃度下(xià)降到(d€ào)約0.1ppm，GH-50的(de)脫鹽效率和(hé)重金(jīn)屬離(lí)子(zǐ)脫鹽效率估計(jì)分(fēn)别在99.95%和(hé)99.98%以上(shàng)，達到✔(dào)世界衛生(shēng)飲用(yòng)水(shuǐ)标準，可(kě)用(yòng)于工(g∑ōng)業(yè)染料廢水(shuǐ)的(de)淨化(huà)。以甲基橙為(wèi)代表的(de)污染物(wù)淨化(huà)後收集水(shuǐ)的(de)淨化(huà£)效率可(kě)達100%，再次證明(míng)了(le)基于COF/CGH的(de)光(guāng)熱(rè)發生(shēng)器(qì)在廢水(shuǐ)處理(lǐ)方面的(de)潛力。

圖4 太陽能(néng)驅動的(de)淨水(shuǐ)收集裝置處理(lǐ)海(hǎi)水(shuǐ)和(hé)廢™水(shuǐ)

【小(xiǎo)結】

綜上(shàng)所述，該團隊開(kāi)發了(le)一(yī)種雙區(qū)COF/CGH，利用(yòng)合α适的(de)疏水(shuǐ)和(hé)親水(shuǐ)區(qū)域比例，在1次太陽照(zhào)射下(xià)可(kě)獲得(de)高(gāo)蒸發率3.69 kg m&min™us;2h−1和(hé)92%的(de)能(néng)源效率，可(kě)用(yòng)于海(hǎ$i)水(shuǐ)淡化(huà)和(hé)廢水(shuǐ)處理(lǐ)。這(zhè)項工(gōng)作(zuò)♥不(bù)僅為(wèi)雙區(qū)雜(zá)化(huà)材料的(de)形成提供思路(lù)，而且為(wèi©)水(shuǐ)凝膠的(de)水(shuǐ)态調控提供了(le)一(yī)種嶄新的(de)方法。