福建师大陈鲁倬教授/中科院福建物构所王观娥研究员AM：导电金属-有机框架纳米片用于高性能界面海水蒸发

太阳能驱动的界面水蒸发在解决全球淡水短缺问题上显示出巨大潜力。然而，受水蒸发固有能量的限制，蒸发器在一个太阳光（1 kW m-2）下的理论蒸发率通常保持在1.47 kg m-2 h-1以下。此外，由于夜间或阴雨天光照不足，常规太阳能蒸发器通常面临效率挑战。通过电力设备（如直流电源）在材料中引入电刺激，利用电流通过材料产生的热量（焦耳加热过程）辅助太阳能水蒸发，为解决太阳能水蒸发系统能量不足以及对持续辐照时间依赖性的问题提供了潜在的解决方案。然而，在单一材料中同时优化实现低蒸发焓、高光热转换效率和优异电学性能仍是一项罕见的成就。

以无机纳米片（阵列）为例的纳米片结构是太阳能界面水蒸发的理想结构。纳米片形态的器件具有大的表面积，有助于构建复杂的传输路径，最大限度地减少散热。此外，它们还能够在器件表面实现光的多重反射，有效地增强太阳能收集，从而提高光热转换效率。然而，无机纳米片往往不具有多孔结构，在这些材料上构筑有利于水快速传输的通道仍然是一项艰巨的挑战。

针对以上关键问题，福建师范大学陈鲁倬教授与中科院福建物构所王观娥研究员合作，报道了一种具有分级宏观/微孔结构的导电金属-有机框架（MOF）的纳米片薄膜 (Ni3(HITP)2-paper)，并将其应用于高性能的界面海水蒸发。得益于其独特的亲水位点和疏水骨架通道结构，实现了低水蒸发焓（1676 J g-1）、高光热转换效率（96.25%）和优异的长期耐盐性。利用Ni3(HITP)2-paper协同太阳能光热和焦耳热效应，水蒸发速率被提升到2.60 kg m-2 h-1，超过了其他MOF基材料。这种具有分级宏观/微孔通道的纳米片薄膜的设计策略为电子、生物器件和能源应用提供了启发。

该工作以“Conductive Metal–Organic Framework Nanosheets Constructed Hierarchical Water Transport Biological Channel for High-Performance Interfacial Seawater Evaporation”为题发表在《Advanced Materials》(DOI:10.1002/adma.202310795)上。论文第一作者是福建师范大学博士研究生钱永强，福建师范大学陈鲁倬教授和中科院福建物构所王观娥研究员为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、福建省自然科学基金、中国科学院科学仪器开发项目、福建省特殊支持“双百计划”青年拔尖人才计划和中国科学院海西研究院前瞻跨越计划等项目的支持。

图1. (a) 沙漠甲虫的生物亲水性和疏水性结构以及具有疏水骨架亲水位点的MOF中的定向水通道。(b) 传统的亲水性纳米片-水界面和具有微孔结构的新型分级MOF纳米片-水界面。

图2. (a) Ni3(HITP)2 MOFs的合成路线。(b) Ni3(HITP)2在室温下的水吸附等温线；插图显示了Ni3(HITP)2的孔道结构。(c) 界面诱导生长法制备Ni3(HITP)2-paper复合膜的流程示意图。

图3. (a) 原始纸和Ni3(HITP)2-paper的光学照片。(b) 原始纸的扫描电镜图。(c) Ni3(HITP)2-paper的扫描电镜图。(d) Ni3(HITP)2-paper的扫描电镜图及对应C、N和Ni的元素面分布。(e) Ni3(HITP)2的Ni 2p和(f) N1s的高分辨率XPS光谱。

图4. (a) 基于Ni3(HITP)2-paper的太阳能水蒸发系统示意图。(b) Ni3(HITP)2-paper在不同光强下的表面温度曲线。(c) 在一个太阳光照下，Ni3(HITP)2-paper蒸发系统的质量变化曲线。(d) Ni3(HITP)2-paper在不同光强度下的表面蒸汽光学照片。(e) Ni3(HITP)2-paper在不同光强下的红外图像。(f) Ni3(HITP)2-paper蒸发系统在不同光强下的蒸发率和能量转化效率。(g) Ni3(HITP)2-paper蒸发系统和纯水在不同光照强度下的蒸发率和相应的增强因子。(h) Ni3(HITP)2-paper蒸发系统在一个太阳光照下循环10次的蒸发率稳定性测试。

图5. (a) 具有光热和焦耳热协同效应的Ni3(HITP)2-paper基蒸发系统示意图。(b) 在不同电输入功率下，Ni3(HITP)2-paper的表面温度曲线。(c) Ni3(HITP)2-paper在不同电输入功率下的光学照片和红外图像。(d) 在不同电输入功率下，Ni3(HITP)2-paper蒸发系统的质量变化曲线。(e) Ni3(HITP)2-paper在一个太阳光和不同电输入功率下的表面温度曲线。(f) Ni3(HITP)2-paper蒸发系统在一个太阳光和不同电输入功率下的质量变化曲线。(g) 在一个太阳光和不同电输入功率下，Ni3(HITP)2-paper蒸发系统的蒸发率和相应的蒸发率提高百分比。(h) Ni3(HITP)2-paper蒸发系统仅在太阳光、仅在4W的电输入功率、在太阳能和4W电输入功率的协同作用下的蒸发率。(i) Ni3(HITP)2-paper蒸发系统在一个太阳光和不同电输入功率条件下的蒸发率循环性能。插图为Ni3(HITP)2-paper循环前后的光学照片。

小结：这种光-电协同蒸发器可以全天候运行，有效缓解气候相关问题。Ni3(HITP)2纳米片中的负电荷纳米通道使Ni3(HITP)2-paper薄膜能够选择性地分离盐离子和水，以防止盐结晶。这项研究为开发全天候、便携式和可扩展的高效水蒸发设备提供了宝贵的参考。

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