南林田丹/南开卜显和院士、李柏延Angew：植物光合作用启发的光热-光催化偶联COFs气凝胶

高效利用太阳能是解决能源危机和减少对化石燃料依赖的重要办法。将光热转换和光化学转换结合起来，同时利用天然海水生产淡水和高价值化学品，不仅能解决全球能源危机，还能有效缓解淡水短缺问题，这在缺水地区尤为重要。然而，现有的光热-光催化系统存在太阳能利用效率低的问题，因为它们要么缺乏定向的微米级通道来增强对太阳光谱的吸收，加快反应物和水蒸气的传质，要么缺乏合理的分子设计来有效降低水的蒸发焓。因此，开发能有效解决上述问题的创新型光热-光催化结构至关重要，但仍面临巨大挑战。

图1. 研究背景以及设计策略

近日，南京林业大学田丹教授与南开大学卜显和院士、李柏延研究员合作发表了一项研究。该研究提出了一种受绿色植物光合作用启发的人工太阳能转换器（ASEC-NJFU-1）,它是由碳纳米管作为光收集器，COF基定向气凝胶作为定向反应器和运输器构建的。基于这种仿生结构，该太阳能转换器可以在自然光下从海水中同时生成淡水和过氧化氢。清洁水生成速率达到3.56 kg m^-2 h^-1,过氧化氢生成速率达到19 mM m^-2 h^-1，总的太阳能转化速率高达8047 kJ m^-2 h^-1。

图2. ASEC-NJFU-1的化学组成和形貌表征

实验结果表明纳米纤维素与离子COF之间形成较强的库仑力，定向冷冻形成了均匀的定向孔道，呈现出大比表面积，表面光吸收单元显著增强了光的吸收，这些条件为太阳能利用提高了良好的条件。

图3. ASEC-NJFU-1的光热-光催化性能。

性能测试表明ASEC-NJFU-1可以利用太阳光谱的紫外-可见光和可见-近红外光同时生成清洁水和H₂O₂，总体的太阳能转换值在已报道的光热-光催化系统中领先。并且该器件可以根据实际需求制成各种形状和尺寸，户外测试同样证明了实际应用的可能性。

图4. ASEC-NJFU-1的光热-光催化机理研究。

光谱分析表明气凝胶定向孔道结构显著增强了光输入和水传输，DSC和拉曼显示离子COF的存在降低了水蒸发焓。因此，结合增强的光输入，ASEC-NJFU-1的光催化产H₂O₂性能相比粉末形态COF得到了提升。

图5. ASEC-NJFU-1的光热-光催化协同机理研究。

基于不同的光源测试表明，紫外-可见和可见-近红外光分别用于光化学和光热转换。光热转换形成的热效应促进了O₂^•-的形成，有效加强了光催化反应，结合EIS、PL和理论计算表明光热效应促进了光热电子空穴分离和H₂O₂脱附，因此光热效应有利于光催化H₂O₂生成。

上述成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.，南京林业大学博士研究生许亚宁为论文第一作者，南京林业大学田丹教授和南开大学李柏延研究员为论文共同通讯作者，卜显和院士提供了指导。