水资源短缺正逐渐威胁着人类社会的可持续发展，已成为最严峻地全球性挑战之一。太阳能驱动的界面蒸发技术是利用太阳光提供热量，将海水或者污水蒸发，冷凝后获得清洁水。该技术具有环境友好、低成本和低能耗等优点，对于缓解水资源短缺，尤其是偏远且不发达地区，具有极大的应用潜力。近些年来，研究者们通过对光热材料及其结构的优化，界面蒸发的光热转化性能、能量利用率、水汽蒸发速率、抗污性和耐盐性等性能得到了极大改善。然而，自然界的水体和工业废水中含有大量的水溶挥发性有机物（VOC），在界面蒸发的过程中，VOC分子和水同时汽化，且VOC分子的挥发速率往往高于水，导致水溶性VOC在滤液中富集，造成二次污染。
为解决这一难题，苏州大学靳健教授研究团队开发了一种金属-有机框架（MOF）/聚苯胺（PANI）纳米纤维阵列复合光热膜，用于在太阳能驱动的界面蒸发过程中通过MOF的分子筛分作用去除水中高浓度VOC（图1）。
图1. 在太阳能驱动的界面蒸发过程中通过MOF的分子筛分作用去除水中VOC示意图。
为了实现水中VOCs的高效去除，他们首先在商业的PES微滤膜表面原位生长上一层聚苯胺（PANI）纳米纤维阵列作为光热层，然后在PANI纳米纤维阵列的表面生长一层厚度为260 nm的ZIF-8层，并对其进行表面配体交换，得到具有稳定结构的DM-ZIF-8复合光热膜（图2a和b）。ZIF-8的有效分离孔径刚好介于水分子和大部分VOC的分子尺寸之间，基于孔径筛分效应，能让水分子通过，而阻止VOC分子通过。实验结果表明，该光热膜对水中常见的VOCs（苯胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二甲基亚砜等）具有>98%的截留率（图2c和d）。而且，该光热膜能有效处理浓度高达400 mg L-1的VOCs废水，且具有优异的长时间稳定性（图2d和e）。该项研究巧妙地将分子筛分和界面蒸发过程融合在一起，为VOC废水的高效、低能耗处理提供了新的思路。
图2. （a、b）DM-ZIF-8-m复合光热膜的表面、截面SEM图；（c）PEM-m，PANI-m和DM-ZIF-8-m三种膜材料在强度为1 kW m-2的太阳光照射下的水蒸发速率，以及蒸馏液中VOC浓度；（d）DM-ZIF-8-m复合光热膜对甲醇、DMF、DMSO、NMP的截留率；（e）DM-ZIF-8-m复合光热膜对不同浓度苯胺溶液的截留率；（f）长时间稳定性测试。
以上工作以“Metal-Organic Framework Composite Photothermal Membrane for Removal of High-Concentration Volatile Organic Compounds from Water via Molecular Sieving”为题发表了在《ACS Nano》杂志上。论文第一作者为苏州大学博士研究生彭雨冰，靳健教授和张慎祥副教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金重点项目（21988102)和国家重点研发计划(2019YFA0705800）等项目的经费支持。
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论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c02520
来源：高分子科学前沿
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