郑州大学张亚涛教授团队《ACS Nano》：配位聚合物与木头的巧妙结合，助力高效光热蒸发

近日，郑州大学化工学院张亚涛教授和朱军勇副教授提出了一种利用化学稳定的配位聚合物Ni-DTA作为光热纳米材料的新策略，在分子水平上构建高效木基光热蒸发器。研究表明木头通道壁上原位生长的Ni-DTA增强了蒸发器的光吸收，同时使蒸发界面的热量局域化。通过进一步合理控制溶剂比例，蒸发器实现了一维纳米纤维和零维纳米颗粒共存，有效地保留了木质衬底的分层通道和开孔结构。这种基于配位聚合物和木头的水制取材料，为海水淡化提供了一种实用的解决方案，同时为光热蒸发器的温和制备提供了有效策略。该研究以题为“When Coordination Polymers Meet Wood: from Molecular Design toward Sustainable Solar Desalination”的论文发表在《ACS Nano》上。

【配位聚合物Ni-DTA-木基蒸发器的制备】

图1 Balsa-NiDTA的制备

作者首先通过化学脱木质素和冷冻干燥法对巴沙木进行预处理，部分木质素的脱除增加了木头基底的亲水性，同时暴露在表面的活性基团有利于后续聚合物的锚定。以镍作为金属源，二硫代乙酰胺（H2DTA）为配体，在室温环境下将反应置于超声浴中，使配位聚合物在木头衬底上原位生长。值得一提的是，木头在反应开始的几秒内即可变成黑色。待反应一段时间后取出样品，反复洗涤后对其进行冷冻干燥处理。

【Ni-DTA和Balsa-NiDTA的表征】

图2 Ni-DTA的表征

配位聚合物Ni-DTA的形貌受到溶剂体系的影响，在不同溶剂中其凝胶化程度呈现明显差异。其中，由于具有相对较大的空间位阻和配位能力，DMF可以有效促进Ni-DTA的凝胶化，而其他溶剂在老化12 h后均产生沉淀。对此，作者使用不同体积比的甲醇/DMF作为溶剂，实现对聚合物的形貌调控。在纯甲醇中，聚合物呈现粒径为100 ~ 200 nm的纳米颗粒。随着DMF含量的增加，Ni-DTA从纳米颗粒逐渐转变为纳米纤维。当溶剂中DMF的含量下降时，聚合物链的相互作用减弱，有效地抑制了纳米纤维进一步纵向生长。

图3 Balsa-NiDTA的表征

借助SEM对蒸发器的形貌进行观察。在纯甲醇体系下，木头通道壁上均匀地负载了大量纳米颗粒。在纯DMF体系下，木头的表面被干燥后的Ni-DTA凝胶覆盖，孔道被堵塞。将溶剂体系调整为甲醇：DMF=3:7，此时纳米纤维和纳米颗粒同时存在于巴沙木的通道壁表面，且这一过程中衬底的开孔通道得以保留。此外，木头脱木质素的处理以及聚合物的进一步锚定增加了样品的亲水性，在毛细作用下加速了水在通道内的传递。

【Balsa-NiDTA的性能】

图4 Balsa-NiDTA的性能

通过导热系数仪对蒸发器的导热性能进行测定，样品的低导热性（0.238 W m−1 K−1）使能量有效地定位在蒸发器表面。使用红外摄像机记录Balsa-NiDTA-4蒸发器在蒸发过程中的表面温度。在一个太阳照射下，Balsa-NiDTA-4蒸发器的表面温度从16oC显著升高到40.5oC，展现了蒸发器良好的光热转换能力。为了确定反应过程的最优条件，作者对不同溶剂比例、浓度、反应时间进行测试，最终Balsa-NiDTA蒸发器实现2.75 kg m-2 h-1的蒸发速率和82%的能量效率。

【Balsa-NiDTA的应用】

由于聚合物Ni-S/Ni-N键的牢固结合以及Ni-DTA较强的纤维素亲和力，Balsa-NiDTA蒸发器具有优异的化学稳定性。在对样品进行强酸、强碱及超声处理后，蒸发器性能无明显降低。此外，蒸发器具有良好的海水淡化性能、实用性及可循环性。同时，通过平板计数法计算得出Balsa-NiDTA的抗大肠杆菌率高达97.5%，表明蒸发器较好的抗菌性能。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c01421

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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