基于咔唑配体的高选择性互锁笼状结构合成及其在光热海水淡化中的应用研究

研究人员针对光热转换材料在海水淡化中效率不足的问题，通过设计咔唑基配体L1/L2与半夹心铑构筑单元自组装，成功合成三类分子镊状化合物和三种互锁笼状结构（5(OTf)12、6(OTf)12、7(OTf)12）。该研究通过单晶X射线衍射和NMR证实其π-π堆叠相互作用，发现6(OTf)12膜蒸发速率达1.52 kg·m-2·h-1，为太阳能驱动海水淡化提供了新型高效材料。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，太阳能驱动海水淡化技术因其清洁可持续的特性成为研究热点。然而，传统光热材料存在吸收光谱窄、能量转换效率低等瓶颈。如何设计兼具宽谱吸收和高光热转换效率的新型材料，成为该领域亟待解决的科学难题。在此背景下，河南大学等单位的研究人员在《Nature Communications》发表了一项突破性研究，通过精巧的分子设计实现了互锁笼状结构的高效合成，并将其成功应用于海水淡化领域。

研究人员采用单晶X射线衍射、核磁共振波谱（NMR）和电喷雾电离质谱（ESI-TOF-MS）等技术表征结构，通过紫外-可见-近红外光谱（UV-Vis-NIR）和电子顺磁共振（EPR）评估光热性能，最终将材料制成Janus膜进行蒸发速率测试。

分子镊状化合物与互锁笼状结构的合成

通过咔唑基配体L1/L2与四种半夹心铑构筑单元（E1-E4(OTf)₂）自组装，成功获得三类分子镊状化合物1-3(OTf)₈和三种互锁笼状结构5-7(OTf)₁₂。单晶结构显示，咔唑基团间π-π堆叠距离（3.25-3.78 ?）是稳定互锁结构的关键。其中6(OTf)₁₂的EPR信号强度比前体E2(OTf)₂增强4.99倍，证实非辐射跃迁增强效应。

光热转换性能差异机制

能带结构分析表明，构筑单元E2(OTf)₂的带隙最小，使得6(OTf)₁₂在730 nm激光照射下实现155.4°C温升（0.9 W/cm²），甲醇溶液温升达82.8°C（1.5 W/cm²），显著优于其他衍生物。这种差异源于不同铑构筑单元对电子转移能垒的调控。

海水淡化应用突破

将互锁笼状结构负载于纤维素膜制备的6'(OTf)₁₂膜展现超亲水-疏水Janus特性（接触角5°/85°），在1 kW·m^-2光照下表面温度达52.2°C，蒸发速率1.52 kg·m^-2·h^-1，是纯水的3.45倍。ICP-MS证实处理后离子浓度符合WHO饮用水标准，且在染料废水中仍保持92%性能稳定性。

该研究不仅为拓扑结构可控合成提供了新策略，更开创了金属有机超分子材料在海水淡化中的应用先例。通过精准调控π-π堆叠相互作用与金属中心电子特性，实现了光热转换效率的突破，为解决全球水资源危机提供了创新性解决方案。材料优异的循环稳定性（10次循环无衰减）和环境耐受性，为其实际应用奠定了坚实基础。