JHM||配體功能化金屬有機框架蒸發(fā)器，用于同步淡水生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)廢水修復

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研究背景

針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中因人口密度增加和環(huán)境污染導致的水資源短缺與能源危機，太陽能驅動界面蒸發(fā)技術被視為緩解水危機的有效途徑，但其應用中原水有機污染物濃度逐漸升高，存在二次污染風險。為此，研究者提出將界面蒸發(fā)與光催化降解耦合，其中基于過氧單硫酸鹽（PMS）的先進氧化工藝能產(chǎn)生活性氧物種（如SO??·和·OH），可高效降解污染物。為實現(xiàn)蒸發(fā)與催化的雙重功能，經(jīng)典MOF材料MIL-101-NH?因其高比表面積和可調(diào)性被廣泛關注，但其帶隙較寬、光生載流子壽命短。通過配體功能化引入氰基（-CN）可調(diào)節(jié)能隙與光學性質(zhì)，提升光吸收與催化性能，從而構建雙功能光熱-光催化材料。此外，木材因其各向異性孔道、低導熱性、親水性及富含羥基的組分，可作為理想的支撐基材，促進水分輸送、蒸汽擴散并為MOF負載提供結合位點，從而支撐高效穩(wěn)定的太陽能驅動蒸發(fā)-催化系統(tǒng)。

基于上述設計策略，本研究成功通過丙烯腈將氰基（-CN）引入MIL-101-NH?，并首次將其與天然木材相結合，構筑出一種集成式木材基蒸發(fā)器（M-NH-CN/木材），用于同步實現(xiàn)高效太陽能淡水生產(chǎn)與吡蟲啉（IMD）降解。該集成系統(tǒng)展現(xiàn)出多重優(yōu)勢：首先，木材固有的各向異性多孔結構保障了高效的水分輸運與蒸汽擴散；其次，MOF通過配位作用與木材基底穩(wěn)定結合，克服了傳統(tǒng)涂層易剝離的缺點；再者，氰基的引入有效調(diào)節(jié)了MOF的電子結構，縮小其帶隙，從而提升光吸收能力并加速電荷轉移，顯著增強了光催化降解IMD的性能；此外，親水性MOF框架有助于降低水的蒸發(fā)焓，使系統(tǒng)在1個太陽光強下實現(xiàn)2.24 kg m?2 h?1的高蒸發(fā)速率。該工作為設計兼具海水淡化、污染物降解及潛在農(nóng)業(yè)應用的多功能光熱-催化系統(tǒng)提供了新思路。

相關研究以“Ligand-functionalized metal-organic framework-based evaporator for synchronous freshwater production and agricultural wastewater remediation”為題，發(fā)表在國際知名期刊《JOURNAL OF HAZARDOUS MATERIALS》上。（中科院一區(qū)TOP，JCR一區(qū)，IF=11.3）

M-NH-CN/木材用于太陽能驅動界面蒸發(fā)、IMD降解及作物灌溉的示意圖

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相關數(shù)據(jù)

圖1. (a) M-NH-CN/木材合成過程示意圖。(b) PTA-NH?與PTA-NH-CN的1H NMR譜圖。δ a', b′, c′ = 7.75 (d, 1H), 7.01 (dd, 1H), 7.37 (d, 1H)。δ a', b′, c′, d′, e′, f′ = 7.93 (d, 1H), 7.18 (d, 1H), 7.32 (s, 1H), 8.07 (s, 1H), 3.58 (t, 2H), 2.85 (t, 2H)。(c) PTA-NH?與PTA-NH-CN的FT-IR光譜。(d) 天然木材縱切面的SEM圖像。(e) M-NH-CN/木材的SEM圖像。(f) M-NH-CN/木材的EDX映射圖。

圖2. (a) 樣品的XRD衍射圖譜。(b) 木材與M-NH-CN/木材的XPS光譜。(c) M-NH-CN/木材的高分辨率Fe 2p光譜。(d) M-NH-CN/木材的高分辨率N 1s光譜。(e) 帶隙能量 (f) 價帶XPS光譜 (g) M-NH?與M-NH-CN的能帶對齊圖 (h) 木材、M-NH?/木材及M-NH-CN/木材的紫外-可見-近紅外吸收光譜 (i) M-NH-CN/木材的光熱機理示意圖。

圖3. (a) M-NH-CN/木質(zhì)材料在不同時間點的紅外熱成像圖。(b) 水、木質(zhì)材料、M-NH?/木質(zhì)材料及M-NH-CN/木質(zhì)材料的質(zhì)量變化曲線。(c) 水蒸發(fā)速率與已報道木質(zhì)蒸發(fā)器的對比。(d) 木質(zhì)材料與M-NH-CN/木質(zhì)材料的差示掃描量熱譜圖。(e) M-NH-CN/木材太陽能蒸發(fā)過程及機理示意圖。(f) 連續(xù)太陽能脫鹽過程中M-NH-CN/木材表面鹽分沉積照片。(g) 耐鹽機制示意圖。

圖4. (a) 不同條件下IMD的降解過程。(b) IMD降解的動力學速率常數(shù)。(c) 吸附于M-NH?和M-NH-CN上的PMS的密度泛函理論計算模型。(d, e) 吸附于M-NH?和M-NH-CN上的PMS的電荷密度差圖。(f, g) M-NH?與M-NH-CN的密度態(tài)能級圖。 (h) DMPO-·OH與DMPO-SO??·。 (i) M-NH-CN/木材+PMS體系中TEMP-1O?的響應曲線。

圖5. (a) M-NH-CN/木材+PMS體系中IMD的擬議降解機制。 (b) M-NH-CN/木材+PMS體系中IMD的擬議降解途徑。

圖6. (a) 太陽能蒸發(fā)器實驗裝置示意圖。(b) 太陽能驅動界面蒸發(fā)海水前后離子濃度變化。(c) M-NH-CN/木質(zhì)材料的循環(huán)性能。(d) RhB處理前后紫外光譜。(e) 凈化海水灌溉植物生長過程示意圖。

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研究結論

本研究通過在金屬有機框架（MOFs）末端引入電子吸引基團-CN，成功制備了一種新型木質(zhì)蒸發(fā)器。-CN的引入能有效調(diào)控能帶結構，從而提升光吸收能力。理論計算進一步證實：-CN基團能顯著提升PMS吸收能，調(diào)控電子結構并增強IMD的光催化降解效率。憑借此創(chuàng)新設計，該蒸發(fā)器在PMS系統(tǒng)中實現(xiàn)高速水分蒸發(fā)（2.24 kg m?2 h?1）與卓越的IMD降解率（99.2%），兼具優(yōu)異的凈化、自脫鹽及循環(huán)利用能力。此外，蒸發(fā)系統(tǒng)收集的淡水可進一步用于支持向日葵等植物生長。新型木質(zhì)蒸發(fā)器的開發(fā)為淡水生產(chǎn)和離岸淡水農(nóng)業(yè)提供了寶貴的應用前景。

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DOI:10.1016/j.jhazmat.2025.138841

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