南洋理工张华Adv. Mater. :MOF基分级结构的构筑及其光热蒸发性能

【引言】

光热蒸发是利用清洁和丰富的太阳能生产清洁水最富有前景的技术之一。在过去数年中，研究人员已利用不同类型的材料制备了光热蒸发器件，如碳基材料、金属、金属氧化物/碳化物和聚合物。然而，上述材料仍然存在诸如太阳光吸收谱窄，热量浪费严重，水传输速度慢，耐油污性差等缺陷。因此，亟待探索能够将高太阳能吸收率和抗油污性能结合在一起的新型材料或结构。金属有机框架(MOFs)是一类新型多孔结晶材料，由于其具有广泛应用而引起关注。然而，目前MOF基材料在光热蒸发中的应用尚未见报道。

【成果简介】

近日，南洋理工大学张华教授(通讯作者)等合理设计、制备了金属有机框架(MOF)基独特分级结构(MHS)，其具有高太阳光吸收率和超亲水和水下超疏油表面特性，并在Adv. Mater.上发表了题为“MOF-Based Hierarchical Structures for Solar-Thermal Clean Water Production”的研究论文。由MHS制备的器件可以在1个太阳照射下实现高达1.50 kg·m^-2·h^-1的光热蒸发速率。重要的是，MHS还具有优异的防油污性能，即使在受油污染的水中也能确保其优异的蒸发性能。高光热蒸发率和抗油污性使MHS有望成为用于光热清洁水生产的材料。

【图文简介】
图1 MHS的合成与表征

a) MHS的制备过程示意图；
b) MHS的SEM图像；
c) MHS的高倍SEM图像；
d) Cu-CAT-1 MOF NR的HRTEM图像；
e) MHS和Cu-CAT-1 MOF晶体的XRD图谱，以及Cu(OH)₂(PDF#35-0505)和Cu(PDF#04-0836)的标准卡片。

图2 MHS的太阳光吸收特性

a) 商业铜网、铜网上Cu(OH)₂NWs和最终MHS的照片；
b) MHS和Cu-CAT-1 MOF晶体膜的照片，显示出二者之间的色差；
c) MHS、Cu-CAT-1 MOF晶体膜、铜网上Cu(OH)₂NWs和商业铜网在太阳光谱(250-2500 nm)范围内的光吸收光谱；
d) 在模拟太阳光照打开和关闭时材料的温度响应曲线。

图3 MHS的表面润湿性

a) 随时间变化的水接触角测试，捕获MHS上水滴的润湿过程，“A”(绿色)代表“空气”，“W”(蓝色)代表“水”；
b) 随时间变化的水下油接触角测量，捕获沾在MHS上60分钟的油滴，“O”(黄色)代表“油”，“W”(蓝色)代表“水”。

图4 MHS的光热蒸发性能

a) 由弯曲的MHS条带制成的器件示意图；
b) 随时间变化的红外图像，显示弯曲MHS条带上水输送过程中表面温度的变化；

c) 在1个太阳照射下干燥MHS条带的IR图像随时间的变化；
d) 在1个太阳照射下水润湿的MHS条带的IR图像随时间的变化；
e) 由MHS条带制备的器件在清水、油层覆盖的水和水包油乳液中，1个太阳照射下质量随时间的变化；
f) 真实海水和蒸发水中离子和有机物浓度的比较。

【小结】

综上所述，作者设计、制造了一种具有MOF基分级结构的光热蒸发器件。作者对具有良好吸光性和亲水性的Cu-CAT-1 MOF晶体进行结构调控，所合成的MHS可以实现超过97.6 %的太阳能吸收并增强超亲水表面性质。在1个太阳照射下实现了1.50 kg·m^-2·h^-1的高蒸发速率。此外，MHS具有优异的抗油污能力，并且可在层状油和乳化油污染下保持较高的光热蒸发速率。较高的光热蒸发速率、优异的抗油污性能以及快速简便的合成使得MHS有望成为用于清洁水生产的良好材料。该工作将激发更多关于MOF基材料在光热转化领域应用的研究。

文献链接：MOF-Based Hierarchical Structures for Solar-Thermal Clean Water Production(Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201808249)

本文由材料人编辑部abc940504【肖杰】编译整理。

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【团队介绍】

张华，新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院教授，目前已加入香港城市大学化学系。主要从事纳米材料的(晶)相工程学的研究，包括贵金属，金属硫族化合物，碳材料等多种先进纳米材料的制备及其在催化、清洁能源、光电器件、化学及生物传感、环境治理等方向的应用研究。近年来，在Science、Nat. Chem.、Nat. Catal.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际知名学术杂志上发表论文460余篇，在Web of Science上引用超过5万7千次，H指数为118，是Chem. Soc. Rev.、 CHEM、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Chem. Mater.、Small、Small Methods、Nanoscale Horizons等20余种国际知名学术杂志编委或顾问编委。2014年当选英国皇家化学学会会士(FRSC)，2015年当选亚太材料科学院(APAM)院士。

张华教授的主要学术奖励包括入选“全球最有影响力科学思想科学家名录”和“高被引科学家名单”(2014-2018，汤森路透 (现为科睿唯安) ), “17位世界最具影响力科学家” (2014，汤森路透) 和“19位世界最具影响力科学家(2015，汤森路透)”，澳大利亚伍龙贡大学Vice-Chancellor’s International Scholar Award (2016), 美国化学学会ACS Nano Lectureship奖(2015), 世界文化理事会(WCC)特别表彰奖(2013), the ONASSIA Foundation Lectureship (Greece, 2013), Asian Rising Stars (15th Asian Chemical Congress, 2013), SMALL青年创新奖(Wiley-VCH, 2012)和南洋杰出研究奖(2011)等。

【该领域工作汇总】

张华课题组近些年来在先进材料的制备及其在水环境治理方面的研究成果丰富。发表了一系列研究型和综述性论文，其主要代表作包括：
Q. Ma, H. Zhang*, et al: “Preparation of Superhydrophilic and Underwater Superoleophobic Nanofiber-Based Meshes from Waste Glass for Multifunctional Oil/Water Separation”,Small, 2017, 13, 1700391.
Q. Ma, H. Zhang*, et al: “Carbon-based Functional Materials Derived from Waste for Water Remediation and Energy Storage”,Adv. Mater., 2017, 29, 1605361.
Q. Ma, H. Zhang*, et al: “Recent Development of Advanced Materials with Special Wettability for Selective Oil/Water Separation”,Small, 2016, 12, 2186.
H. Bi, L. Sun,* H. Zhang*, et al: “Carbon Microbelt Aerogel Prepared by Waste Paper: An Efficient and Recyclable Sorbent for Oils and Organic Solvents”,Small, 2014, 10, 3544.
H. Bi, L. Sun*, H. Zhang*, et al: “Carbon fiber aerogel made from raw cotton: a novel, efficient and recyclable sorbent for oils and organic solvents”,Adv. Mater., 2013, 25, 5916.

张华教授课题组不仅在国际学术期刊上发表多篇关于环境治理的功能材料的研究性论文，更积极推动将实验室中的研究成果进行产业化。张华教授课题组发明的碳纤维气凝胶技术已经成功转化为滚球体育 创业公司 EcoWorth Tech Pte. Ltd. (https://www.ecoworth-tech.com/)，并且已在多个国际创新创业会议上获得诸多奖项，有望能够解决新加坡多种工业废水的处理和从工业废水中回收油品的问题。