太阳能发电是一种可持续的水处理技术，有助于缓解全球水资源短缺问题。然而，由于水蒸发的高能耗导致蒸发率低，该技术面临着巨大的挑战。最近，科研人员通过简便的原位生长策略开发了一种共价有机框架（COF）/石墨烯双区域水凝胶，在一种材料中包含亲水和疏水区域。亲水 COF 覆盖部分疏水石墨烯区域。通过对两个润湿区域的精确控制，混合水凝胶显示出有效的光捕获、可调节的润湿性、优化的水含量以及降低水汽化的能量需求。作为太阳能吸收器，双区域水凝胶在 1 次太阳照射 (1 kW m-2) 下的蒸汽产生率高达 3.69 kg m-2 h-1，与其他最先进的技术相媲美材料。此外，这种水凝胶蒸发器可用于从海水和污水中生产饮用水，展示了水处理的潜力。
图 1. COF/石墨烯双区域水凝胶用于加速太阳能驱动水蒸发的方案。3D 多孔通道能够快速向上输送水。双区域协同作用将通道尺寸从~2.3μm调节到~12.3μm，增强太阳能吸收并优化水分含量，从而降低蒸发的能量需求。
图 2. (a) COF-SO3H 的化学结构。(b) 分别使用 20 mL（左）和 120 mL（右）高压釜合成的 CGH-50 的照片。(c, d) CGH-50 的 SEM 图像。(e) CGH-50 的 SEM 图像和相应的 EDS 映射。(f) COF-SO3H 和 CGH 的 FT-IR 光谱。(g) CGH 的 XPS 测量光谱。(h, i) CGH-50 的 AFM 图像和相应的高度剖面。
图 3. (a-e) 冻干样品的水接触角和 CGH 中对应的双区域示意图，其中蓝色区域代表纯 rGO，橙色区域代表 COF@rGO。(f) CGH 的 UV-vis-NIR 吸光度。(g) CGH 中的含水量和中间水 (IW) 与游离水 (FW) 的比例。(h) CGH中纯水和水的暗蒸发率和蒸发焓。(g) 和 (h) 中的误差线表示从使用不同样品的五次测量中获得的标准偏差。
图 4. (a) 水蒸发测试中使用的装置方案。（b，c）纯水和 CGH 在 1 次太阳照射（1 kW m-2）下随时间变化的温度和质量变化。(d) 来自 CGH 的水分蒸发率和 1 个太阳下的能源效率。(e) 蒸发速率比较显示 CGH-50 在碳基蒸发器中的高性能。(f) 使用模拟海水和 CGH-50 进行七个循环的稳定性测试。
图 5. (a) 太阳能驱动清水收集装置的照片。(b) 脱盐前后模拟海水的离子浓度。(c) 纯化前后的重离子浓度。(d) 染料污染水和纯净水的紫外-可见光谱和照片。
相关论文以题为A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation发表在《J. Am. Chem. Soc.》上。通讯作者是柏林工业大学Arne Thomas教授。
参考文献：doi.org/10.1021/jacs.1c11689
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