负载胺强化缺电子MOF的光热海水蒸发效率 | 上海楷树化学科技有限公司

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负载胺强化缺电子MOF的光热海水蒸发效率

摘要
曲靖师范大学刘建军、刘正芬团队在Inorganic Chemistry 2026报道了一种四氯苝二酰亚胺基锌基金属有机框架材料Zn-PDI-Cl4，利用材料多孔结构吸附二甲胺电子供体，通过光诱导电子转移原位生成稳定的自由基阴离子Zn-PDI-Cl4•–。该改性材料大幅增强近红外光吸收能力，光热转换性能与太阳能水蒸发效率显著提升，可高效应用于太阳能驱动海水淡化领域。

研究背景
1. 行业难题：
近红外光热材料是光热治疗、传感、海水淡化等领域的核心功能材料，现有商用有机染料光热材料存在合成工艺复杂、光稳定性差的固有缺陷。同时，
2. 现有方案：
目前高性能有机近红外光热材料的研发，主要通过缩小能带间隙、强化近红外吸收、降低辐射能量损耗优化性能，但供体-受体共轭分子的精准设计与合成难度极大。苝二酰亚胺类经典缺电子染料经光诱导产生的自由基阴离子稳定性极差，常规改性手段合成难度高、加工性差，严重限制其在光热转换领域的实际规模化应用。
3. 本文创新：
1) 以缺电子苝二酰亚胺为功能配体，构筑结构稳定的三维多孔Zn-PDI-Cl4主体MOF框架。
2) 利用MOF孔道吸附二甲胺作为电子供体，通过光诱导分子间电子转移原位生成高稳定自由基阴离子，无需复杂共价改性与封装工艺，简单温和地实现材料近红外光吸收与光热性能的双重提升。

实验部分
1. Zn-PDI-Cl4合成实验：
以六水硝酸锌、2,6-萘二甲酸、四氯取代苝二酰亚胺吡啶配体为原料，N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，超声分散形成均匀悬浮液，100 ℃密封溶剂热反应3天。反应结束后冷却、过滤，交替使用DMF与氯仿洗涤产物，室温干燥得到红色粉末状Zn-PDI-Cl4，基于配体的合成产率达59%，工艺简单可控。
2. 二甲胺吸附改性：
将制备的Zn-PDI-Cl4样品在120 ℃预处理去除孔道游离溶剂，置于二甲胺水溶液上方，30 ℃水浴密封吸附12 h，利用气相吸附方式将二甲胺均匀负载于MOF孔道内，制备得到胺吸附改性样品，为后续光诱导电子转移反应提供基础。
3. 材料光热转换测试：
系统开展光热性能测试，采用808 nm近红外激光器，在不同功率密度下测试样品薄膜的升温性能与循环稳定性；搭建太阳能水蒸发与海水淡化测试平台，在1 kW·m⁻²模拟太阳光条件下，测试材料的水蒸发速率、转化效率及海水脱盐效果，同时完成材料亲水性能表征。

分析测试
1. 结构表征：
1) Zn-PDI-Cl4为双重互穿三维多孔结构，BET比表面积为182 m²/g，总孔容0.12 cm³/g，拥有13×13 Å、13×23.6 Å两种一维孔道，溶剂可及孔隙体积占比54%。
2) SEM显示样品为300 μm左右的规整棱柱晶体。
2. 自由基与光学表征：
1) 改性后的Zn-PDI-Cl4•–在600–1200 nm区间出现特征吸收峰，近红外吸收能力大幅增强；
2) ESR测试在g=2.0021处检测到自由基特征信号，其自由基产率是纯苝二酰亚胺体系的14倍。
3) 材料黑暗储存1周后光谱无明显衰减，自由基稳定性优异。
3. 光热性能：
在0.4 W·cm⁻²的808 nm激光照射下，Zn-PDI-Cl4•–100 s内最高升温至134.6 ℃，远高于纯MOF材料的89.2 ℃；材料光热转换效率达35.4%，且5次升降温循环后性能无衰减，结构与性能稳定性极佳。同时材料升温幅度与激光功率密度呈良好线性关系。
4. 水蒸发性能：
1) 电子转移改性后材料水接触角由50.3°降至37.5°，亲水性显著提升。
2) 标准太阳光照射下，样品23 min升温至80.3 ℃，水蒸发速率达1.24 kg·m⁻²·h⁻¹，太阳能水转化效率90.2%；
3) 模拟海水淡化实验中，产出水电导率低至9.6 μS/cm，接近蒸馏水水质。

机理分析
1. 电子转移生成自由基：
能级计算表明，二甲胺HOMO能级（-4.48 eV）与苝二酰亚胺LUMO能级（-3.48 eV）存在1.00 eV合理能级差，光照条件下二甲胺可作为电子供体，向缺电子Zn-PDI-Cl4框架高效转移电子，原位生成稳定的PDI自由基阴离子。MOF刚性多孔框架可有效束缚自由基，规避其在常规体系中易失稳的问题，实现长达一周的空气稳定性。
2. 光热性能提升机理：
自由基阴离子的生成赋予材料超宽光谱吸收能力，太阳光吸收率可达84%，大幅拓宽近红外光响应范围。同时分子间电子转移优化了材料导热通路，实现高效热量局域化，减少能量损耗，协同提升光热转换效率与升温速率。
3. 水蒸发强化机理：
电子转移改性降低了材料表面水接触角，提升亲水性能，利于水分子快速浸润与传输。结合优异的光热升温能力，材料可快速加热界面水体，实现高效、稳定的太阳能驱动水蒸发与海水脱盐。

总结
1. 该研究基于缺电子PDI配体构筑了结构稳定的三维多孔Zn-PDI-Cl4 MOF材料，通过简单的胺吸附耦合光诱导电子转移策略，成功制备出高稳定、高光热性能的自由基阴离子功能材料。
2. 该体系有效解决了传统PDI自由基稳定性差的行业痛点，实现了优异的近红外光热转换效率与太阳能海水淡化性能。

文章标题：Amine Adsorption in an Electron-Deficient MOF Enhances Photothermal Conversion and Water Evaporation Efficiency
文章作者：Yunyan Meng、Hao Zeng、Chixian He、Zhengfen Liu、Jian-Jun Liu
DOI：10.1021/acs.inorgchem.6c04096
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.6c04096

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曲靖师范大学刘建军、刘正芬团队在Inorg. Chem.报道开发新型MOF光热材料，依托缺电子框架的胺吸附与分子电子转移效应，制备高稳定自由基功能材料，大幅提升近红外光热转换与水蒸发效率，实现高效海水淡化。