南开大学《Angew》：光致自由基引发高效光热水蒸发！
南开大学《Angew》：光致自由基引发高效光热水蒸发！
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太阳能光热水蒸发是一种很有前景的清洁水生产策略，这需要开发高效率和高稳定性的太阳能热转换材料。 近日，南开大学 师唯教授 课题组报道了 一种具有光致自由基的超稳定钴(II)-有机复合物NKU-123，具有优异的光热转换效率和高稳定性 。在808 nm光的照射下，NKU-123的温度在6秒内从25.5°C迅速升高到215.1°C。基于NKU-123的太阳能蒸发器在1个太阳光强照射下纯水和海水的水蒸发速率分别高达1.442和1.299 kg m -2 h -1 ，蒸发效率分别为97.8%和87.9%。详细的机理研究表明，光自由基的形成导致NKU-123的自旋密度增加，从而增强了光热效应，为高效光热材料的设计提供了新的思路。相关工作以“The Influence of Light-Generated Radicals for Highly Efficient Solar-Thermal Conversion in an Ultra-Stable 2D Metal-Organic Assembly”为题发表在国际著名期刊 《 Angewandte Chemie International Edition 》上。
制备与表征
图1 材料制备流程图和结构
图2. 红外、PXRD表征
光热水蒸发性能
图3. 光热水蒸发性能测试
图4. 不同水源的净化性能
图5. 固态EPR谱（电子顺磁共振）分析
在功率密度为1 W cm -2 的808 nm激光照射下，NKU-123的温度在6 s内从室温迅速上升到215.1℃(图3a)，表明其具有显著的光热转换特性。红外热像仪记录了NKU-123在808 nm不同功率(0.1-1.0 W cm -2 )激光照射下的温度变化(图3b)，样品温度随激光功率的增加而有规律地升高。可以看到，NKU-123的光热响应非常快，在10个辐照循环中，NKU-123的光热性能是高度可逆的(图3c)。
对NKU-123的水蒸发长期稳定性进行了评价(图4a和4b)，在纯水和海水中均表现出优异的长期稳定性。采用电感耦合等离子体发射光谱法测定了海水淡化前后Na + 、K + 、Ca 2+ 、Mg 2+ 的浓度。
如图4c所示，海水淡化后这些离子的浓度显著降低了三到四个数量级，完全符合世界卫生组织(WHO)规定的饮用水标准。基于较高的光蒸汽效率、蒸发速率和优异的稳定性，NKU-123是光热水蒸发的最佳固有金属有机组件之一(图4d)。经过5个循环后，NKU-123的UV-Vis光谱特征吸收峰保持不变，稳定性高(图4e)。此外，以甲基橙(MO)和亚甲基蓝(MB)为模型污染物，对NKU-123的废水处理能力进行了测试。如图4f所示，紫外-可见光谱显示，在冷凝水(CW)中没有发现MO和MB的特征峰，说明NKU-123处理的CW质量较高。
综上所述，作者报道了一种超稳定的二维钴(II)- NKU-123有机组件，具有从UV-vis到NIR区域的广泛光吸收，具有优异的光热转换性能和良好的循环稳定性。刚性配位框架不仅稳定了光诱导自由基，而且提高了材料的化学/光稳定性。基于NKU-123的太阳能蒸发器对纯水和海水均具有较高的蒸发速率和光热效率，是最好的光热转换材料之一。光致自由基影响了NKU-123的键结构，增加了NKU-123的自旋密度，导致光致电子振动增强，从而增强了光热效应。这项工作为设计高稳定性和高性能光热材料提供了结构和能量因素方面的深刻见解。
全文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202401766