Small | 鉑基光熱聚合物的化學修飾以增強太陽能吸收與蒸汽生成

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研究背景

全球淡水資源嚴重短缺，僅有約0.06%的淡水資源易于獲取，而海水淡化是滿足未來用水需求的重要解決方案。然而，傳統的海水淡化技術（如反滲透、多效蒸餾等）存在成本高、能耗大、基礎設施復雜等問題，難以在發展中國家和欠發達國家普及。界面太陽能蒸汽發電（ISSG）技術作為一種有前景的替代方案，可將熱量集中在氣-水界面進行蒸發，具有高太陽能-蒸汽轉換效率且無需依賴電力。該技術的核心部件是太陽能蒸發器，其性能在很大程度上取決于光熱材料的光吸收能力。盡管碳基材料等被廣泛研究，但有機金屬聚合物的分子結構可靈活調控，從而能實現更優的寬光譜光吸收性能。本研究旨在通過合理的分子設計，開發新型鉑基光熱聚合物，以提升ISSG系統的蒸發效率和應用潛力。

相關工作以“Chemical Modification of Platinum-Based Photothermal Polymer toward Enhanced Solar Absorption and Steam Generation”為題，發布在《Small》期刊上。（中科院二區，JCR一區，IF=12.1）

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研究數據

圖1.合成有機金屬聚合物的分子結構和蒸發器的制造工藝。(a)C1的鉑配合物和M1的相應聚合物的分子結構。(b)C2的鉑配合物和M2的相應聚合物的分子結構。(c)利用所制備的光熱聚合物制造太陽能蒸發器的工藝。

圖2.表征。(a)BDDA、M1和M2的FTIR光譜。(b)M1和M2的TGA曲線。(c)薄膜狀態下BDDA、C1和C2的所有單體的吸收光譜。(d)M1和M2的一個重復單元的優化的S0幾何結構，以及相應的計算的LUMO和HOMO能級。(e)PU、M1PU和M2PU的UV-Vis-NIR吸收光譜。

圖3.表面形態。(a)PU、(b)負載M1的PU(M1PU)和(c)負載M2的PU(M2PU)的掃描電子顯微鏡圖像。干(d)PU、(e)M1PU和(f)濕M1PU的三維顯微鏡圖像。

圖4.熱響應。(a)干M1PU和M2PU在光照7分鐘后在1太陽下的熱像。(b)干M1PU和M2PU在開關光循環下的光熱響應，以及曝光7分鐘后PU在1個太陽下的熱像(插圖)。(c)M1PU系統在1個日照下的溫度分布，(II-v)濕M1PU在0.7、1、1.5和2個日照下的頂面溫度。

圖5.所制備的蒸發器(M1PU和M2PU)的室內實驗結果。(a)ISSG機制。(b)聚合物M1和M2的光熱機理。(c)室內實驗裝置。(d)蒸發率(ER)和相應的水質量變化率(插圖)，在沒有蒸發器和有蒸發器的情況下，在1個太陽下。(e)在不同太陽輻射強度下，存在M1PU時水和海水的質量變化率。(f)M1PU的相應蒸發速率(ER)和效率。(g)在M1PU存在的情況下，在1太陽下不同含鹽量濃水的蒸發速率。(h)在長達8小時的試驗中，M1PU在1個太陽下的質量變化和相應的水和海水的蒸發速率。(i)所制備的蒸發器的鹽擴散機理。(j)M1PU循環試驗和鹽擴散過程(插圖)。

圖6.戶外實驗。(a)室外條件下的實驗裝置圖解。(b)不同時間的太陽輻射和相應的海水蒸發率。(c)與氣象站建立基于ISSG的水收集系統。(d)室外實驗8h后，不同時間、不同取水量的太陽照射(插圖)。(e)海水和純凈水中不同陽離子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+)的濃度。(f)在1個太陽下M1PU存在時，染料污染水的質量變化和相應的蒸發速率(ER)(插圖)。(g-i)亞甲基藍(MB)、甲基橙和羅丹明B(RhB)蒸發凈化前后的吸光度。

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研究結論

本研究成功設計并合成了兩種新型鉑基D-A聚合物（M1和M2）。研究表明，M1因其更平面的分子骨架結構，通過配體到配體電荷轉移（LLCT）和分子內電荷轉移（ICT）的協同效應，表現出優于M2的光熱性能。基于M1的太陽能蒸發器（M1PU）在1太陽光照下實現了1.87 kg m-2 h-1的水蒸發速率，比M2PU高出約33.57%。該蒸發器在淡化天然海水和高濃度鹽水（最高20 wt.% NaCl）方面表現出色，且蒸發器頂部表面無鹽結晶積累，具備自清潔能力。此外，M1PU系統還能有效凈化染料廢水，產生的淡化水和凈化水均達到高質量標準。戶外實驗表明，在平均太陽輻照度為0.58 kW m-2的條件下，該ISSG系統8小時內可生產約8.5 L m-2的淡水。這項工作證實了通過分子結構調控可高效開發用于太陽能淡化的光熱材料。

DOl:10.1002/smll.202509534

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