​《JACS》：生产饮用水的新“武器”——COF/石墨烯双区水凝胶基太阳能蒸汽发生器

淡水短缺是社会发展面临的一个日益严峻的挑战。阳光驱动蒸发是利用太阳能作为光源，它作为蒸发器将太阳能转化为热量，以产生蒸汽，是从海水和废水中提取洁净水的一种最有前途的技术。为了达到高的水蒸发率和太阳热转换效率，理想的材料应该具有广泛的吸收-有效利用大部分的太阳光谱、低热导率-抑制热损失和三维(3D)多孔通道-有效的水运输。

近日，柏林工业大学Arne Thomas教授团队成功地制备了一种共价有机框架（COF）/石墨烯水凝胶(CGH)基太阳能蒸汽发生器，其中包含由装载COF的还原氧化石墨烯(COF@rGO)形成的亲水区域和由纯还原氧化石墨烯(rGO)形成的疏水区域。通过精确控制两个润湿区域，混合水凝胶显示出有效的捕光、可调的润湿性、优化的含水量，并降低了水汽化的能量需求。作为太阳能吸收体，双区水凝胶在1 kW m^-2太阳照射下的产汽率高达3.69 kg m^-2 h^-1，可用于从海水和污水中生产饮用水。相关工作以“A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation”发表在《JACS》。

图1 COF/CGH基太阳能蒸汽发生器

【COF/CGH的制备和表征】

COF/CGH是使用水热法将磺酸功能化的COF(COF-SO₃H)可控沉积到还原氧化石墨烯上实现的。由于含有大量−SO₃H基团，具有超亲水性。将COF单体加入到氧化石墨烯(GO)分散体中构建三维毛细管通道，同时调节润湿性。

COF/CGH具有用于内部水输运的大孔毛细管通道，其中不仅仅是形成了物理的rGO-COF混合物，二维COF沿二维还原氧化石墨烯纳米片表面原位生长。磺化基团能够产生活性水用于蒸汽的快速产生，而该水凝胶COF载荷最多可达42.05%。厚度和粗糙度的增加是由于多层COF在rGO表面的均匀生长造成的，这有利于减少光反射，进一步增强光吸收。此外，COF的引入明显提高了宽频带光吸收，而引入COF-SO₃H可以有效地获取入射太阳光。

图2 COF/CGH的制备和表征

【COF/CGH的产汽效能】

在COF/rGO水凝胶强大的水输运效能可能归因于：①COF的引入扩大了水凝胶网络的孔隙，使其能够容纳更多的水；②亲水−SO₃H/−SO₃−COF中的基团与水分子形成强烈的静电作用和氢键，使更多的水可以在网络内部结合；③COF本身作为多孔材料，也可以吸附大量的水分子。

CGHs能够有效活化水，改善水的蒸发，中间水与游离水之比（IW/FW）比值最高的CGH-50的显示最高的水运率（59.0 g min⁻¹），可见水凝胶中存在一个最佳的表面功能与大孔隙孔径比例，这两者都影响水的含量和状态，而疏水/亲水区比例是水活化的主要因素，通过可控调节这个比值，水分蒸发是可以调节的。

图3 COF/CGH的产汽效能

总体而言,双亲水/疏水区域水凝胶的渗透孔隙通道与3D传输通道可以是一个很好的太阳能蒸发器的优势,它有可调的亲水性、更高太阳能吸光度、优化的含水量和状态、较低蒸发焓。

【COF/CGH基太阳能的处理水能力】

海水经过该太阳能水蒸发淡化系统，离子浓度(Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺)显著降低了4个数量级。除海水外，含重金属废水净化后，Cr³⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Ga³⁺等重金属离子的浓度下降到约0.1ppm，GH-50的脱盐效率和重金属离子脱盐效率估计分别在99.95%和99.98%以上，达到世界卫生饮用水标准，可用于工业染料废水的净化。以甲基橙为代表的污染物净化后收集水的净化效率可达100%，再次证明了基于COF/CGH的光热发生器在废水处理方面的潜力。

图4 太阳能驱动的净水收集装置处理海水和废水

【小结】

综上所述，该团队开发了一种双区COF/CGH，利用合适的疏水和亲水区域比例，在1次太阳照射下可获得高蒸发率3.69 kg m⁻²h⁻¹和92%的能源效率，可用于海水淡化和废水处理。这项工作不仅为双区杂化材料的形成提供思路，而且为水凝胶的水态调控提供了一种崭新的方法。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c11689