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原文链接：10.1021/jacs.4c12829
传统的海水淡化方法因能耗高、痕量离子去除不充分而受到批评，而天然光驱动离子泵则效率更高。目前的合成系统受到激子寿命短的限制，这限制了它们产生足够的电场进行有效离子泵送的能力。
近日，浙江大学孙琦/浙江师范大学王赛介绍了一种创新方法，利用共价有机框架膜，在酸催化液液界面聚合过程中通过亚胺键的垂直梯度质子化来增强光吸收并减少电荷复合。该技术可创建层内和层间异质结，促进层间杂化并在光照下建立强大的内置电场。这些改进使膜能够在极端浓度梯度（2000:1）下实现显著的离子传输，传输速率约为每秒每平方厘米 3.2 × 1012 个离子，并将离子浓度降低至十亿分之一。这一性能大大超过了传统的反渗透系统，代表了太阳能海水淡化技术的重大进步，大幅减少了能源消耗和二次废物。相关研究成果发表于《J. Am. Chem. Soc.》上。
图文解析
表 1. 三种脱盐方法的特点总结：反渗透、离子交换和光驱动离子泵。
图 1. 膜合成与表征。(a) 酸催化液-液界面聚合的示意图，用于在膜上的亚胺键中产生质子化的垂直梯度（垂直于膜平面）。(b) COF-PyTa 膜的 SEM 图像；插图显示膜的照片。(c) 比较 COF-PyTa(O) 和 COF-PyTa(W) 的 ATR-FTIR 光谱。(d) 用 Ar+ 离子以不同持续时间从 COF-PyTa(W) 到 COFPyTa(O) 侧连续蚀刻 COF-PyTa 膜的 XPS 光谱。(e) 1665 cm −1 处的 AFM-IR 强度图显示了整个膜横截面的分布。(f) PXRD 图案说明了晶体结构的变化。(g,h) 分别是 COF-PyTa 和 COF-PyTa(Sc) 的 TEM 图像。
图 2. 光学特性分析。 (a) COF-PyTa 的 (i) 非质子化和 (ii) 质子化片段的 NTO 粒子-空穴图，说明电子分布变化（金色；C，蓝色；N，黄色；S 和白色；H）。 (b) 亚胺键质子化水平不同的能带结构演变：(i) 非质子化，(ii) 1/4 质子化，(iii) 1/2 质子化，和 (iv) 完全质子化，包括 (v) 能级排列，显示 COF-PyTa(W) 和 COF-PyTa(O) 之间的差异。 (c) 增强电荷分离的层内和层间异质结结构的示意图。 (d) 在黑暗和 400 nm 光下对 COF-PyTa(W) 和 COF-PyTa(O) 进行 CPD 测量。 （e）在激发峰（690、698 和 680 nm）下 COF-PyTa、COF-PyTa(Sc) 和 COF-PyTa(6 M) 的飞秒分辨率 TA 动力学，显示平均弛豫寿命。（f）黑暗中的 EIS 奈奎斯特图。
图 3. 光驱动离子传输评估。(a) 对称 1 mM KCl 溶液的 I-V 曲线。(b) 在功率密度为 200 mW cm −2 的氙气灯和 0.1 mM KCl 溶液下，光驱动离子传输跨不同膜类型的性能比较。(c) 电流幅度对光强度和 KCl 浓度的依赖性：在不同光强度下使用 0.1 mM KCl 溶液（左）和在 300 mW cm −2 的恒定照明下使用不同 KCl 浓度（右）的电流测量。(d) 各种处理前后，COF-PyTa 膜在黑暗和光照（200 mW cm −2 ）条件下的 I-t 轨迹。(e) 光暴露前后测量的离子传输通过膜的活化能变化。(f) 使用对称 0.5 mM KCl 溶液评估 COF-PyTa 膜中光驱动离子传输的长期稳定性。
图 4. 离子泵性能评估。 (a) 零伏电流随 KCl 浓度梯度变化，从 50 倍到 2000 倍，说明基于 COF-PyTa 的离子泵能够逆着高达 2000 倍的梯度传输离子。 (b) 在 400 mW cm −2 氙气灯下，通过 COF-PyTa 膜在 1000 倍盐浓度梯度下记录的循环零伏电流，其中 (i) KCl、(ii) NaCl、(iii) MgCl2、(iv) CaCl2 和 (v) 四元混合物（每种摩尔浓度相等），突出显示 1 mM 和 1 μM 之间的浓度差异。灰色背景表示被动扩散电流，而彩色背景表示主动离子泵电流。 (c) 暴露于阳光下时，COF-PyTa 膜上的零伏电流轨迹，KCl 浓度梯度为 1000 倍（1 mM 和 1 μM）。(d) 通过 COF-PyTa 膜交替暴露于自然阳光下测量的循环零伏电流，从低浓度 0.1 μM（KCl、NaCl、CaCl2 和 MgCl2 各 0.025 μM）到四元混合物中的 2 μM（各 0.5 μM）。灰色背景表示被动扩散电流，而彩色背景表示主动离子泵电流。为了验证膜的出色光反应可逆性，我们专门改变了时间间隔以评估膜的离子泵性能。(e) 使用经初级反渗透处理的对称水样（电导率为 1.2 μS cm −1），在阳光照射下 COF-PyTa 膜上的零伏电流轨迹。
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