第一作者：张冉维
通讯作者：田丹、黄青
通讯单位：南京林业大学
论文DOI：10.1002/adfm.202515344
南京林业大学材料科学与工程学院黄青/田丹教授团队，报道了一种新型光敏共价有机框架@木材（COF@wood）复合体系，成功实现了高效的太阳能界面蒸发和光催化铀去除。该研究通过化学键合策略将具有光敏和氧化还原活性的卟啉基COF共价接枝到天然木材上，取代了传统的物理涂层，显著增加了材料的稳定性和活性位点。Ni-卟啉基COF@wood材料实现了2.07 kg m-2 h-1的蒸发速率和约93%的铀去除率。
提供安全清洁的淡水是本世纪面临的重大挑战。利用丰富的太阳能资源进行界面蒸发是实现快速海水淡化的有效途径之一。然而，当前的界面蒸发技术仍面临产水率低、光能转换效率低、稳定性差和成本高等挑战。传统的解决方案通常是在基材表面物理涂覆光热层，存在易脱落、二次污染等问题。与此同时，放射性铀水污染的处理也至关重要。光催化提取铀是一个重要研究方向，它可以将可溶性六价铀还原为四价铀，或者通过产生过氧化氢来进一步矿化可溶性六价铀为不溶性铀，解决传统吸附法效率不足的问题。因此，开发一种能将光热蒸发与光催化功能集成于一体的稳定、高效材料，对于同步实现海水淡化和污水处理具有深远意义。
1）首次通过化学键合将光敏卟啉基COF共价接枝到木材上，构建了集光热蒸发与光催化功能于一体的稳定平台，解决了物理涂层易脱落的问题。
2）Ni-PT-COF@wood材料同时具备优异的光热蒸发性能（2.07 kg m-2 h-1）和光催化除铀效率（>93%），实现了对太阳能资源的高效利用。
3）揭示了复合材料降低水蒸发焓的机制（增加中间水比例），以及光生电子从卟啉单元向连接体转移，从而活化O2和H2O产生H2O2进一步矿化可溶性铀的路径。
图1. COF@wood光热平台与以往工作的对比示意图。
首先，本研究最核心的创新在于材料设计理念的突破。如图1所示，与传统研究中将光热材料简单物理涂覆于基材表面（易脱落、功能单一）的策略不同，本研究通过精准的化学键合策略，将功能化的共价有机框架（COF）共价接枝到天然木材上，构建了一个结构稳固、功能集成的光热-光催化一体化平台。
图2. PT-COF的一系列表征和PT-COF@wood的合成方法。a）PT-COF的实验PXRD图。B）三种PT-COF材料和配体TAPP和TFBE的红外光谱。c）PT-COF、Ni-PT-COF和Cu-PT-COF的XPS光谱。d）PT-COF的合成和PT-COF@wood的制备方法。
PXRD图谱与模拟数据结果证实了材料成功合成了具有高度有序AA堆叠模式的晶体结构。FTIR光谱中出现的亚胺键特征峰直接验证了Schiff碱反应的成功进行。XPS谱中表明了C、N、O元素的化学状态以及Ni、Cu金属的成功配位。这些数据表明所制备的COF具备规整的孔道结构和明确的化学组成，这是其能够有效进行光吸收和催化反应的结构前提。
图3. PT-COF@木质材料的表征a）PT-COF@wood、Ni-PT-COF@wood和Cu-PT-COF@wood的XPS光谱。b）合成过程中wood、TF(CHO)@wood和PT-COF@wood的红外光谱。c）PT-COF、PT-COF@wood、Ni-PT-COF@wood和Cu-PT-COF@wood的红外光谱。d）wood、PT-COF@wood、Ni-PT-COF@wood、Cu-PT-COF@wood、PT-COF、Ni-PT-COF和Cu-PT-COF的热重分析图表。
XPS光谱中出现的N、Ni、Cu等特征峰，以及FTIR光谱在合成过程中官能团的演变，证明了COF通过共价键成功接枝到了木材表面。热重分析则表明复合材料具有良好的热稳定性，足以适应太阳能驱动的水蒸发和光催化条件。综上所述，表明了合成策略的可行性，并确保了材料在性能应用中的可靠性。
图4. 蒸发性能试验结果。a）Ni-PT-COF@wood、Cu-PT-COF@wood、PT-COF@wood、木材在干燥条件下在模拟阳光下的温升曲线。B，c）120分钟内不同材料的海水质量和蒸发率的变化。d，e）木材和几种PT-COF@wood的IW/FW比，以及通过在100 °C附近积分测得的蒸发焓。f）几种材料的紫外-可见光谱。
蒸发性能测试显示Ni-PT-COF@wood具有最快的升温速率和最高的稳态温度，证明了其优异的光热转换能力。蒸发速率测试结果表明，Ni-PT-COF@wood达到了2.07 kg m-2 h-1的最高蒸发速率，优于其他样品。深入机理研究显示，COF的引入提高了材料中“中间水”的比例，从而显著降低了水的蒸发焓，这使得水分子更容易汽化。同时，UV-Vis光谱表明，金属配位（尤其是Ni）极大地增强了材料在整个太阳光谱范围内的吸收能力。综上所述，表明蒸发性能的提升源于光热转换效率提高和蒸发焓降低的双重协同效应。
图5. 太阳能驱动除铀性能的实验研究。a）PT-COF、Ni-PT-COF和Cu-PT-COF的紫外-可见-NIR光谱。B）PT-COF、Ni-PT-COF和Cu-PT-COF的Tauc图。c）Ni-PT-COF的Mott-Schottky曲线。d）能带图。e）瞬态光电流-时间曲线。f）考察了3种COF@wood催化剂在12 h后对U（VI）的去除效果，并与空白对照进行了比较。g）在各种条件下的催化去除性能：空白、有木材的黑暗条件、有催化剂的黑暗条件和光照条件。h）三种PT-COF@木材的稳态荧光光谱。i）在三个重复循环中的催化去除性能。
UV-Vis光谱显示COF材料具有合适的带隙宽度，能有效利用可见光。Ni-PT-COF具有最强的光电流响应和最有效的电荷分离效率。Ni-PT-COF@wood展现了超过93%的铀去除率，且循环稳定性良好。通过设置一系列对照实验，如暗反应、无催化剂、刮除表面COF等，确证了光催化是主要的铀去除机制。Ni-PT-COF@wood，是一种高效、稳定且可重复使用的光催化铀去除材料。
图6. PT-COF@木材的光热-光催化机理研究。a）光催化反应后铀的XPS光谱。B）TEMPO存在下的EPR谱。c）DMPO存在下的EPR谱。d）添加清除剂（BQ、CTC和TEOA）后的光催化除铀实验。e）Ni-PT-COF中HOMO和LUMO的电荷分布状态。光敏多功能Ni-PT-COF@wood蒸发器太阳能驱动水蒸发和光催化除铀原理图。f）光敏多功能Ni-PT-COF@木材蒸发器太阳能驱动水蒸发及光催化除铀原理图。
EPR测试直接检测到了超氧阴离子自由基和光生空穴等关键活性物种的存在。添加清除剂实验进一步证实了这些物种在反应中的核心作用。通过模型化合物的催化实验和DFT理论计算，深入揭示了光催化固铀的微观机制，光生电子从卟啉单元（Ni-TAPP）流向连接单元（TFBE），并在TFBE上激活氧气产生超氧自由基，进而生成过氧化氢，最终将可溶性的U(VI)固定为不溶性的(UO2)O2·2H2O。
本研究成功构建了一种新型光敏多功能COF@wood体系，用于太阳能驱动的水蒸发和铀去除。Ni-PT-COF@wood通过调控木材与COF的界面结构，降低了水蒸发焓，提高了光热转换效率，实现了2.07 kg m-2 h-1的蒸发速率；同时，它还能在不添加牺牲剂的条件下，通过光催化产生H2O2将铀固定为(UO2)O2·2H2O，去除率超93%。该工作不仅为高效太阳能海水淡化和放射性废水处理提供了一种高性能的一体化解决方案，更重要的是通过巧妙的材料设计和深入的机理研究，为未来开发多功能、可持续的太阳能转化系统提供了新的设计思路和理论依据。这种集成策略充分结合了共价有机框架的可设计性与木材的可持续性和独特输水结构，为应对全球水资源和能源短缺挑战开辟了新途径。
Ran-Wei Zhang, Qing Huang*, Jiqiao Zhang, Yu-Jie Zhao, Hui Zhou, Tiantian Wu, Ranran Ji, Pengfei Wu, Dan Tian*, First published: 18 September 2025
https://doi.org/10.1002/adfm.202515344
田丹，南京林业大学教授，博士生导师，2011年6月获东北师范大学硕士学位，2015年6月获南开大学博士学位（导师：卜显和 院士），2015年至2019年分别于南京工业大学（合作导师：黄岭 教授）和新加坡南洋理工大学（合作导师：张其春 教授）开展博士后研究。2015年于南京师范大学开展访问学者工作（合作导师: 兰亚乾 教授）。主要从事金属有机框架材料设计合成及其复合材料在催化领域的应用研究。目前以第一作者或通讯作者发表SCI论文52篇，分别发表在Angew. Chem. Int. Edit.（4篇）、Nature Commun.（2篇）、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.（2篇）、Adv. Sci.、SusMat等期刊上，主持3项国家自然科学基金项目和3项江苏省自然科学基金项目。2021年入选江苏省重大人才工程，2020年获中国林学会梁希青年论文奖，2014年获卢嘉锡科学教育基金会卢嘉锡优秀研究生奖。
黄青，南京林业大学副教授，博士生导师。2020年6月获南京师范大学博士学位（导师兰亚乾教授）。2020.09-2023.04，于华南师范大学从事博士后研究（合作导师蔡跃鹏教授和兰亚乾教授），2023年5月加入南京林业大学材料科学与工程学院工作。研究领域主要是金属氧簇、簇基金属有机框架（MOFs）、共价有机骨架（COFs）材料的设计合成及其与生物质材料的复合，在环境、能源存储和转化方面的探索研究（涉及到光、热、电催化等）。目前已参与发表论文40余篇，其中，以第一作者或通讯作者在国际顶级期刊Sci. Adv.、Matter、Natl. Sci. Rev.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Funct. Mater.等发表论文20余篇。近5年承担国家自然科学基金面上及青年项目，中国博士后基金，省级青年优秀人才国际培养计划博士后派出项目（新加坡南洋理工大学），江苏省青年科技托举人才工程项目等。
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