淡水资源是人类生存的命脉。然而，根据世界气象组织发布的最新报告，全球有超过20亿人无法获得充足的淡水资源。传统的海水淡化方法，如蒸馏、反渗透和电渗析，为解决这一问题提供了可行的工业选择。然而，这些方法仍然存在处理复杂、能耗高等缺点。随着近年来全球对碳中和的倡导，以无处不在的免费太阳能为动力的太阳能脱盐受到了广泛关注。

近日，图书馆VIP刘波教授团队在太阳能驱动海水淡化研究中取得重要进展。该研究团队开发了一种基于弹性聚合物共价有机框架（PP–PEG）的高效太阳能蒸汽蒸发器。PP–PEG泡沫展现出全光谱吸收和出色的光热转换性能，通过优化亲水性、PEG链长度和热管理，在1个太阳辐照下，实现了4.89 kg m−2h−1的蒸发速率。团队进一步巧妙地使用易制得的截锥型反射器充分利用免费太阳能，蒸发速率显著提高至18.88 kg m−2h−1，超过已知的太阳能蒸汽蒸发器的性能。这项创新设计具有制备简单、成本低、效率高、机械稳定性和耐久性等优点，为海水淡化和水净化应用提供了一个有前景的平台。相关成果以“Highly efficient solar steam evaporation via elastic polymer covalent organic frameworks monolith”为题发表于《自然·通讯》杂志（Nat. Commun. 2024, 15, 9484.）。

具体而言，PP–PEG材料含有柔性的聚乙二醇连接剂，对客体呈现出有趣的自适应性（图a）。卟啉环作为光热功能单元，柔性的聚乙二醇链防止了卟啉环的不利聚集和猝灭，使得PP–PEG具有全光谱吸光度和优异的光热转换性能。基于此，PP–PEG以三维泡沫形式作为蒸发器应用于太阳能驱动的海水淡化。弹性还有助于防止泡沫在蒸发过程中发生崩塌，以维持循环蒸发的性能。为了减少向水体的热量损失，蒸发器采用特殊的自包含模式，将太阳能蒸发器与水体隔离开（图b），在维持连续供水的同时，不仅减少了热传导损失，还充分利用了三维泡沫的侧表面，大幅增加了蒸发面积，促进冷蒸汽的产生，提高了蒸汽的蒸发性能。通过优化亲水性和PEG链长度，在1个太阳辐照下，实现了4.89 kg m−2h−1的蒸发速率。

为充分利用免费的太阳能资源，该项研究设计了一个铝制的截锥形型反射器，将光反射到三维泡沫的侧表面（图b）。当三维泡沫与反射器耦合时，显著提高了蒸发性能。在1个太阳辐照下，蒸发速率达到18.88 kg m−2h−1，相比没有反射器时的蒸发速率4.89 kg m−2h−1，增加了286.1%，是迄今为止文献报道的最高的太阳蒸发性能。这种充分利用自然资源的创新方法，将给太阳能驱动海水脱盐淡化领域的研究人员带来启发。

图. PP-PEG的制备及应用于太阳能蒸汽蒸发示意图

综上所述，该项研究开发了基于弹性聚合物共价有机框架（PP–PEG）材料的高效太阳能蒸汽蒸发系统。该系统制备简单、效率高、成本低、机械稳定性和耐用性良好，有望成为极具前景的海水淡化和水净化平台。

该项研究受到国家自然科学基金面上项目、中央高校基本科研专项资金和安徽省自然科学基金的资助。刘波教授为该论文的通讯作者，博士研究生胡阿威为该论文的第一作者。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53902-1

（应用化学系、科研部）