南洋理工張華Adv. Mater. :MOF基分級結構的構筑及其光熱蒸發性能

【引言】

光熱蒸發是利用清潔和豐富的太陽能生產清潔水最富有前景的技術之一。在過去數年中，研究人員已利用不同類型的材料制備了光熱蒸發器件，如碳基材料、金屬、金屬氧化物/碳化物和聚合物。然而，上述材料仍然存在諸如太陽光吸收譜窄，熱量浪費嚴重，水傳輸速度慢，耐油污性差等缺陷。因此，亟待探索能夠將高太陽能吸收率和抗油污性能結合在一起的新型材料或結構。金屬有機框架(MOFs)是一類新型多孔結晶材料，由于其具有廣泛應用而引起關注。然而，目前MOF基材料在光熱蒸發中的應用尚未見報道。

【成果簡介】

近日，南洋理工大學張華教授(通訊作者)等合理設計、制備了金屬有機框架(MOF)基獨特分級結構(MHS)，其具有高太陽光吸收率和超親水和水下超疏油表面特性，并在Adv. Mater.上發表了題為“MOF-Based Hierarchical Structures for Solar-Thermal Clean Water Production”的研究論文。由MHS制備的器件可以在1個太陽照射下實現高達1.50 kg·m^-2·h^-1的光熱蒸發速率。重要的是，MHS還具有優異的防油污性能，即使在受油污染的水中也能確保其優異的蒸發性能。高光熱蒸發率和抗油污性使MHS有望成為用于光熱清潔水生產的材料。

【圖文簡介】
圖1 MHS的合成與表征

a) MHS的制備過程示意圖；
b) MHS的SEM圖像；
c) MHS的高倍SEM圖像；
d) Cu-CAT-1 MOF NR的HRTEM圖像；
e) MHS和Cu-CAT-1 MOF晶體的XRD圖譜，以及Cu(OH)₂(PDF#35-0505)和Cu(PDF#04-0836)的標準卡片。

圖2 MHS的太陽光吸收特性

a) 商業銅網、銅網上Cu(OH)₂ NWs和最終MHS的照片；
b) MHS和Cu-CAT-1 MOF晶體膜的照片，顯示出二者之間的色差；
c) MHS、Cu-CAT-1 MOF晶體膜、銅網上Cu(OH)₂ NWs和商業銅網在太陽光譜(250-2500 nm)范圍內的光吸收光譜；
d) 在模擬太陽光照打開和關閉時材料的溫度響應曲線。

圖3 MHS的表面潤濕性

a) 隨時間變化的水接觸角測試，捕獲MHS上水滴的潤濕過程，“A”(綠色)代表“空氣”，“W”(藍色)代表“水”；
b) 隨時間變化的水下油接觸角測量，捕獲沾在MHS上60分鐘的油滴，“O”(黃色)代表“油”，“W”(藍色)代表“水”。

圖4 MHS的光熱蒸發性能

a) 由彎曲的MHS條帶制成的器件示意圖；
b) 隨時間變化的紅外圖像，顯示彎曲MHS條帶上水輸送過程中表面溫度的變化；

c) 在1個太陽照射下干燥MHS條帶的IR圖像隨時間的變化；
d) 在1個太陽照射下水潤濕的MHS條帶的IR圖像隨時間的變化；
e) 由MHS條帶制備的器件在清水、油層覆蓋的水和水包油乳液中，1個太陽照射下質量隨時間的變化；
f) 真實海水和蒸發水中離子和有機物濃度的比較。

【小結】

綜上所述，作者設計、制造了一種具有MOF基分級結構的光熱蒸發器件。作者對具有良好吸光性和親水性的Cu-CAT-1 MOF晶體進行結構調控，所合成的MHS可以實現超過97.6 %的太陽能吸收并增強超親水表面性質。在1個太陽照射下實現了1.50 kg·m^-2·h^-1的高蒸發速率。此外，MHS具有優異的抗油污能力，并且可在層狀油和乳化油污染下保持較高的光熱蒸發速率。較高的光熱蒸發速率、優異的抗油污性能以及快速簡便的合成使得MHS有望成為用于清潔水生產的良好材料。該工作將激發更多關于MOF基材料在光熱轉化領域應用的研究。

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

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【團隊介紹】

張華，新加坡南洋理工大學材料科學與工程學院教授，目前已加入香港城市大學化學系。主要從事納米材料的(晶)相工程學的研究，包括貴金屬，金屬硫族化合物，碳材料等多種先進納米材料的制備及其在催化、清潔能源、光電器件、化學及生物傳感、環境治理等方向的應用研究。近年來，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.等國際知名學術雜志上發表論文460余篇，在Web of Science上引用超過5萬7千次，H指數為118，是Chem. Soc. Rev.、 CHEM、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Chem. Mater.、Small、Small Methods、Nanoscale Horizons等20余種國際知名學術雜志編委或顧問編委。2014年當選英國皇家化學學會會士(FRSC)，2015年當選亞太材料科學院(APAM)院士。

張華教授的主要學術獎勵包括入選“全球最有影響力科學思想科學家名錄”和“高被引科學家名單”(2014-2018，湯森路透 (現為科睿唯安) ), “17位世界最具影響力科學家” (2014，湯森路透) 和“19位世界最具影響力科學家(2015，湯森路透)”，澳大利亞伍龍貢大學Vice-Chancellor’s International Scholar Award (2016), 美國化學學會ACS Nano Lectureship獎(2015), 世界文化理事會(WCC)特別表彰獎(2013), the ONASSIA Foundation Lectureship (Greece, 2013), Asian Rising Stars (15th Asian Chemical Congress, 2013), SMALL青年創新獎(Wiley-VCH, 2012)和南洋杰出研究獎(2011)等。

【該領域工作匯總】

張華課題組近些年來在先進材料的制備及其在水環境治理方面的研究成果豐富。發表了一系列研究型和綜述性論文，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.

張華教授課題組不僅在國際學術期刊上發表多篇關于環境治理的功能材料的研究性論文，更積極推動將實驗室中的研究成果進行產業化。張華教授課題組發明的碳纖維氣凝膠技術已經成功轉化為科技創業公司 EcoWorth Tech Pte. Ltd. (https://www.ecoworth-tech.com/)，并且已在多個國際創新創業會議上獲得諸多獎項，有望能夠解決新加坡多種工業廢水的處理和從工業廢水中回收油品的問題。