【COF离子膜光电响应】：利用卟啉基离子共价有机框架膜增强离子能发电的光-盐度协同效应

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摘要：
浙江大学孙琦课题组报道的本篇文章（Chem Bio Eng. 2024）中提出了一种创新的方法，使用含离子基团的卟啉单元构建了一种离子共价有机框架（COF）膜。这种膜在纳米通道内具有出色的电荷屏蔽能力，并且在光照射下展现出光电响应性，从而增强了离子导电性。因此，在0.5/0.01 M NaCl的盐度梯度下并暴露于光时，该设备实现了18.0 ± 0.9 W/m²的卓越峰值功率密度，是商业基准的3.6倍。这项工作不仅在材料科学领域取得了重大进展，而且为推进可持续能源技术开辟了有希望的途径。

研究背景：
1. 全球变暖限制在2°C以内的目标面临质疑，因为减少人为温室气体排放的速度可能不足以实现目标，因此需要探索替代能源以促进向零碳排放未来的转变。
2. 太阳能和盐度梯度能作为能源的替代选项已经显现出潜力，但能够同时利用这些能源的技术尚未充分开发。
3. 作者提出了一种新型的离子COF膜，该膜使用含光电活性的卟啉单元构建，通过在纳米通道中引入离子基团，实现了光照射下的离子传输增强，这在材料科学中是一个重要的创新。

实验部分：
1. 膜的制备：通过界面聚合反应合成了自由站立的卟啉基COF膜（COF-PtaDha），并进行了后续的化学修饰，引入了磺酸钾（-SO3K）基团。
2. 膜的表征：使用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、固态13C核磁共振（NMR）光谱、扫描电子显微镜（SEM）、粉末X射线衍射（PXRD）、二维掠入射广角X射线散射（GIWAXS）和氮气吸附等温线等技术对膜进行了详细的表征。
3. 光-离子效应研究：通过自制的导电池研究了COF-PtaDha在光照下的离子传输特性，发现光照可以显著增强离子电流。
4. 光电响应性离子膜的制备和表征：通过后合成修饰引入了-SO3K基团，增强了膜的电荷屏蔽能力，并提高了其选择性。

分析测试：
1. FT-IR分析：COF-PtaDha膜在1602 cm–1处显示出C═N伸缩振动的峰，表明了高聚合度。
2. NMR光谱：在162.0 ppm处的C═N信号证实了COF结构的成功形成。
3. SEM成像：显示了膜的无缺陷表面形貌和大约600 nm的厚度。
4. PXRD图案：显示出尖锐的反射峰，表明了高度结晶的材料形成。
5. GIWAXS测量：确认了COF膜的晶体性质和强烈的纹理。
6. BET比表面积：计算为775 m² g–1，孔径分布中心在2.1 nm。
7. UV-vis光谱：显示出强吸收，表明了出色的光吸收行为。
8. XPS分析：确认了磺酸根离子的存在，以及通过后合成修饰成功引入了-SO3K基团。

总结：
1. 本研究展示了一种新型光响应离子膜，该膜通过光-盐度协同效应优化了离子能发电性能。
2. 研究发现，光-离子效应在增强离子导电性和降低膜电阻方面具有深远的影响。这导致了RED设备功率密度的显著提高。这项工作揭示了合成结构中纳米尺度能量转换的协同作用，为创新和实际应用开辟了新的前沿。
3. 该COF材料的适应性突出了多功能集成的有希望的途径，为未来的科学探索和技术突破提供了激动人心的机会。

展望：
1. 进一步研究可以探索结构缺陷对COF膜的光电响应性的影响。
2. 对COF膜进行长期稳定性测试，以评估其在实际应用中的耐久性。
3. 进一步探索COF膜在其他能源转换和存储应用中的潜力，如太阳能电池和超级电容器。

Harnessing Solar-Salinity Synergy with Porphyrin-Based Ionic Covalent-Organic-Framework Membranes for Enhanced Ionic Power Generation
文章作者：Weipeng Xian, Changjia Zhu, Zhuozhi Lai, Qing Guo, Di Wu, Qing-Wei Meng, Sai Wang, Shengqian Ma, and Qi Sun*
DOI：10.1021/cbe.3c00119
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/cbe.3c00119

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