太阳能界面蒸发有望降低分布式海水淡化对集中供能与大型设施的依赖，其关键在于将太阳辐射高效转化为蒸发界面可利用的热量。共价有机框架（COFs）具有分子结构可精准设计、孔道可调等优势，为光热转换过程提供了关键材料基础。然而，已报道COFs的光吸收主要集中在紫外与短波可见区域，对长波可见光和近红外光的利用不足，以及激发态能量的辐射耗散与热量向周围环境扩散，严重限制了有效产热与界面蒸发。因此，拓宽光谱响应、强化非辐射弛豫并抑制热耗散，是提升光热海水淡化性能亟需突破的关键科学问题。
为此，郭少军团队与合作者提出了Cl原子介导的宽光谱光热分子设计策略，以2,4,6-三氯苯-1,3,5-三甲醛（TTB）和对苯二胺（pPA）为构筑分子单元，通过亚胺缩合反应制备了新型TTB-pPA COFs。发现Cl原子参与框架电子结构调控，实现了超宽光谱吸收范围（200–1500 nm），覆盖紫外、可见及近红外区域（图1a）。发现在1个标准太阳光照条件下，TTB-pPA COFs的表面温度在60秒内升至125.3 ℃，显著高于由苯-1,3,5-三甲醛与对苯二胺构筑的COFs（BTB-pPA COFs，60.7 ℃）和由2,4,6-三羟基苯-1,3,5-三甲醛与对苯二胺构筑的COFs（TFP-pPA COFs，85.3 ℃）（图1b）。
图1 宽光谱吸收与快速光热响应。a，三种COFs的吸收光谱。b，光照600秒时三种材料的红外热像。
结合电子结构计算与载流子动力学分析，阐明了Cl原子对光吸收和非辐射能量转化的协同调控作用。TTB-pPA中Cl 3p轨道与框架轨道的重叠比例由27.26%提高至34.63%（图2a），表面Cl原子有效参与框架电子结构重构。研究进一步表明，Cl原子引入增强了自旋–轨道耦合，并通过提高载流子密度促进非辐射弛豫（图2b）。荧光动力学测试显示，随着激发光强增加，光生载流子的寿命缩短，增强了非辐射复合，有利于将吸收的光能以热的形式释放（图2c）。在热输运方面，声子计算显示，TTB-pPA COFs的高频振动模式较TFB-pPA COFs整体向低频区域移动（图2d，e）。非谐声子散射分析与热输运计算进一步表明，氯原子引入可通过调控晶格振动降低材料的晶格热导率。在300 K下，TTB-pPA COFs的计算晶格热导率为3.18 W m-1 K-1，低于BTB-pPA COFs（3.54 W m-1 K-1）和TFP-pPA COFs（4.11 W m-1 K-1）（图2f）。上述结果揭示了氯原子对电子结构与晶格振动的协同调控作用，为兼顾宽光谱吸收、高效非辐射能量转化与低热传导损失的光热材料设计提供了全新思路。
图2 光热转换性能。a，TTB-pPA COFs的态密度（DOS）及轨道贡献。b，TTB-pPA COFs、TFP-pPA COFs和BTB-pPA COFs的载流子浓度随能量的变化关系。c，在低激发通量和高激发通量下TTB-pPA COFs的时间分辨光致发光衰减曲线。d，TTB-pPA COFs的声子色散曲线与声子态密度。e，TFP-pPA COFs的声子色散曲线与声子态密度。f，TTB-pPA、TFP-pPA和BTB-pPA COF随温度变化的晶格热导率(κ)。
团队进一步将TTB-pPA光热层与三聚氰胺泡沫、水凝胶及纳米囊泡凝胶相结合，构建了兼顾供水、支撑与水蒸气释放的三维复合蒸发器（图3a）。在1个标准太阳光照下，其稳态水蒸发速率达到7.62 kg m-2 h-1（计入暗态的总蒸发速率为7.68 kg m-2 h-1），明显高于BTB-pPA COFs和TFP-pPA COFs的蒸发器（图3b）。该蒸发速率优于已报道的多种代表性太阳能蒸发体系，体现了宽光谱吸收、非辐射弛豫与界面热管理协同优化对太阳能蒸发性能的提升作用（图3c）。
图3 水蒸发性能。a，集成了COFs、三聚氰胺泡沫、水凝胶及纳米囊泡凝胶的光热海水淡化系统示意图。b，HG/MF@TTB-pPA COFs@NVG、HG/MF@BTB-pPA COFs@NVG和HG/MF@TFP-pPA COFs@NVG的蒸发通量。c，HG/MF@TTB-pPA COFs@NVG与当前先进材料的水蒸发效率对比。
面向自然光下的淡水收集，团队搭建了集供水、蒸发与冷凝收集于一体的流动式太阳能蒸发装置（图4a）。水质检测显示，冷凝水中钠、镁、钙、钾等主要阳离子浓度显著下降，均低于10 mg L-1（图4b）。室外监测覆盖2025年6月17日至8月17日，记录了不同日照条件下的产水表现，多个测试日的单位面积日产水量达到30-45 L m-2 d-1，显示出自然光驱动生产淡水的应用潜力（图4c）。以每人每天2.5 L计，1 m2装置在上述产水水平下可提供相当于12-18人日饮水量的淡水。
图4 室外产水装置与淡水收集性能。a，自研制的流动式太阳能蒸发装置。b，净化前后主要离子浓度对比。c，跨两个月监测窗口内的单位面积日产水量及平均太阳辐照强度，展示了不同日照条件下的产水变化。
该研究创制了具有超宽光谱吸收能力的Cl功能化TTB-pPA COFs材料，揭示了电子结构与晶格振动协同调控光热转换的机制，并构建了三维复合蒸发器及流动式淡水收集装置，为高效光热海水淡化提供了关键材料与器件技术支撑。
该研究成果以“Covalent Organic Frameworks with Ultra-broad Band Absorption for Efficient Solar-driven Water Evaporation”为题在9月17日在线发表于《Nature Water》。链接：https://doi.org/10.1038/s44221-026-00687-w。
《Nature Water》刊发了吉林大学金恩泉教授等撰写的News & Views评述“When ultrabroadband absorption meets solar evaporation”。评述指出，本研究的重要意义体现在分子设计理念与实际性能上，通过将共价有机框架的光学与热学性质同分子结构紧密关联，有望推动太阳能海水淡化从依赖经验的材料筛选转向机制指导的设计，将光捕获、能量耗散与水传输作为相互关联的参数统筹考虑。评述同时肯定了该体系有效离子截留能力及长时间户外实验所展现的应用潜力，强调其已用于真实的水净化过程，并指出材料化学、光物理学与热工程的深度融合为太阳能水净化的发展提供了重要方向（图5）。同期评述链接：https://doi.org/10.1038/s44221-026-00692-z。
图5《Nature Water》同期News & Views专题评述。
北京大学为本研究的第一完成单位；北京大学徐亚超、上海交通大学周众、三峡大学孙博婧为本论文的共同第一作者；北京大学郭少军教授、北京化工大学刘友星教授、北京理工大学李红博教授为本论文的共同通讯作者。
本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、教育部学科突破先导计划、北京市卓越青年科学家计划、新基石科学基金会、中国石油天然气集团公司创新基金和辽宁滨海实验室等项目资助。
