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《Adv. Mat.》：导电MOF纳米片

文摘   2025-01-11 17:06   北京  
一、研究背景

太阳能界面水蒸发在解决全球淡水匮乏问题上显示出巨大潜力。水蒸发本身是能源密集型的，焦耳热辅助太阳能蒸发解决自然条件下水汽不足的问题是一种理想的策略。然而，在单一材料中同时优化低蒸发焓、高光热转换和优异的焦耳加热蒸汽生成仍然是一项罕见的成就。

二、研究成果

本文受生物通道结构的启发，福建师范大学陈鲁倬教授团队通过在纸基底上堆叠导电金属有机框架（MOF）--Ni3(HITP)2--的纳米片，精心设计了一种具有分层宏/微孔结构的大面积薄膜。通过在一种材料中结合上述三种特性，水蒸发焓从 2455 J g-1 降低到 1676 J g-1，光热转换效率从 13.75% 提高到 96.25%。受益于光热效应和焦耳热效应的协同作用，在一个太阳加 4 W 输入电功率的条件下，蒸发率达到 2.60 kg m-2 h-1，超过了热力学极限，是目前报道的基于 MOF 的蒸发器的最高值。此外，Ni3(HITP)2-纸在模拟海水中表现出优异的长期稳定性，没有观察到盐结晶和蒸发率下降。这种具有分层大/微孔通道的纳米片薄膜设计策略为电子、生物设备和能源应用提供了灵感。相关研究工作以“Conductive Metal–Organic Framework Nanosheets Constructed Hierarchical Water Transport Biological Channel for High-Performance Interfacial Seawater Evaporation”为题发表在顶级期刊《Advanced Materials》上。祝贺！
三、图文速递

图1. Ni3(HITP)2 MOFs的合成及Ni3(HITP)2-纸复合膜的制备流程
Ni3(HITP)2因其独特的结构特征和优异的电气性能而备受关注。这种化合物呈现出蜂窝状结构，其特点是正方形平面配位金属离子（Ni2+）和π-共轭配体（HITP = 2,3,6,7,10,11-六亚氨基三亚苯）组装而成的长程有序一维通道。因此，通道由苯环组成，具有疏水特性。同时，通道上还修饰有亲水胺官能团。值得注意的是，这种结构模拟了生物有机体内的亲水-疏水相互作用。它有效缓解了水分子与通道壁之间的氢键相互作用，有利于水分子快速通过。合成的 Ni3(HITP)2 在室温下的水吸附等温线证实了这一特性。
定向二维纳米片薄膜在光热转换方面具有巨大潜力。然而，由于刚性 MOF 与柔性基底之间固有的弱相互作用，在柔性基底上实现 MOF 纳米片的可控生长已被证明是一项艰巨的任务。他们通过改变反应溶液的碱度成功地解决了这一问题，从而通过界面诱导生长促进了纸上 Ni3(HITP)2 纳米片的制备。对于纳米片结构的形成，他们假设相对碱性的环境有利于配体分子快速胺化，使其更容易与金属离子配位，并促进材料沿层方向扩展。因此，材料在形态上呈现出纳米片状结构。
图2. Ni3(HITP)2-纸性质表征
光学照片显示了原始纸张与合成的 Ni3(HITP)2 纸之间的明显对比。值得注意的是，Ni3(HITP)2-纸复合薄膜具有很高的柔韧性，可以弯曲而不影响其结构的完整性。原始纸张的扫描电子显微镜（SEM）图像显示，它由大小不一的纤维束组成，错综复杂地交织在一起，形成一个网络。此外，这些纤维束之间还存在明显的间隙。Ni3(HITP)2持续生长后，薄膜保持了纸纤维的结构完整性。因此，Ni3(HITP)2-纸仍然保持了基底的微米级大孔结构。Ni3(HITP)2分层结构的扫描电子显微镜图像显示，取向的Ni3(HITP)2纳米片完全覆盖了纸纤维。纳米片几乎垂直排列在基底上，并相互交织形成一个交错的网络。
图3. 原始纸和Ni3(HITP)2-纸的性能比较
图4. Ni3(HITP)2-纸的太阳能水蒸发系统
图5. Ni3(HITP)2 的耐盐特性
值得注意的是，许多已报道的太阳能蒸发器在海水淡化过程中往往会出现蒸发率逐渐下降的现象，其原因是盐结晶堵塞了光热材料表面和水传输通道。因此，提高太阳能驱动的海水淡化蒸发系统在盐水环境中的耐用性是一个具有吸引力的前景。带电通道允许一种离子通过，同时排斥另一种离子，从而有效防止盐在材料表面结晶。Ni3(HITP)2 在模拟海水中的 zeta 电位为 -25.3 mV，表明 Ni3(HITP)2 中的通道带负电。为了增强这些发现的可靠性，他们利用极性染料从静电相互作用的角度验证了 Ni3(HITP)2 通道表面的带电性质。图 5c 显示了阳离子染料若丹明 B (RhB) 在用 Ni3(HITP)2 粉末处理前后的紫外可见吸收光谱。初始 RhB 溶液在 527 nm波长处的吸光度较高；而浸入 Ni3(HITP)2 粉末后溶液的吸光度接近于零。与此相反，刚果红（CR）由于负电性产生的相互排斥作用而无法被 Ni3(HITP)2 粉末吸附。刚果红水溶液在处理前后的吸光度差异可能是由于 Ni3(HITP)2 的物理吸附作用造成的。这些结果验证了 Ni3(HITP)2 纳米通道的带电性质和离子选择性优势。
图6. Ni3(HITP)2-纸蒸发器的蒸发率
图7.  具有协同光热和焦耳加热效应的Ni3(HITP)2-纸基太阳能蒸发系统
与通过系统和宏观结构设计提高蒸发器蒸发性能的策略不同，电辅助太阳能蒸发有利于解决实际场景中的需求问题。首先，电辅助太阳能蒸发可减轻蒸发器对日照的时间依赖性，实现全天候运行，解决了蒸发器在阴天、雨天、夜间等光照不足环境下蒸发性能不佳的问题。其次，电力辅助蒸发可以很好地克服太阳能蒸发器存在蒸发热力学极限的问题，显著提高蒸发性能。第三，未来基于新型清洁能源（如太阳能、风能和水力发电）的电力设备可用于电力辅助太阳能蒸发，这对缓解全球淡水短缺问题更具吸引力。因此，他们设计了一种基于 Ni3(HITP)2-纸的全天候高效水蒸发系统，将太阳能与其他供电设备结合起来。该系统可在夜间利用焦耳热效应蒸发水，而在白天则利用光热效应和焦耳热效应的协同效应蒸发水。为评估蒸发器的焦耳热性能，在不同输入电功率下监测了润湿的 Ni3(HITP)2-纸的表面温度。结果表明，当在 Ni3(HITP)2-纸两端施加电压时，电子流经 Ni3(HITP)2-纸，产生焦耳热，从而提高了 Ni3(HITP)2-纸的温度。
四、结论与展望

综上所述，他们在柔性纸基底上成功设计并制备了大面积高质量分层宏观/微孔Ni3(HITP)2纳米片膜。由于其具有广谱吸收性、低导热性和优异的导电性，他们将其应用于全天候高效水蒸发器。Ni3(HITP)2 中的疏水纳米通道和亲水位点将水的蒸发焓显著降低到 1676 J g-1（明显低于纯水的蒸发焓 2455 J g-1）。纸纤维表面具有一定取向的分层 Ni3(HITP)2 纳米片增加了复合薄膜的表面积，并通过多重反射提高了太阳能的有效捕获，从而使光热转换效率高达 96.25%。结合 Ni3(HITP)2 的优异电学特性，Ni3(HITP)2-纸薄膜与光热和焦耳热效应协同作用，使水蒸发率进一步提高到 2.60 kg m-2 h-1，超过了其他 MOF 基材料。这种光电耦合蒸发器可全天候运行，有效缓解气候相关问题。Ni3(HITP)2纳米片中带负电荷的纳米通道使Ni3(HITP)2纸膜能够选择性地分离盐离子和水，从而防止盐结晶。这项研究为开发全天候、便携式和可扩展的高效水蒸发设备提供了宝贵的见解。
文献链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310795

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