太阳能作为一种清洁、可再生的能源，其高效利用是解决能源危机和环境污染的重要途径之一。光热材料能够将太阳光转化为热能，进而用于发电、海水淡化等领域。然而，传统光热材料如贵金属、碳基材料及半导体等，仍存在成本高、稳定性差或效率低等问题。开发新型高效、稳定的光热材料是当前研究的重点。
近日，化学与化工学院黄文欢教授团队与合作者在Journal of the American Chemical Society（JACS）期刊发表研究成果。该研究工作成功设计并合成了一种具有三维结构的多酸基金属-有机框架材料（AHF-Zn4），并利用原子级异质金属团簇掺杂策略，显著提升了其光热转换性能，实现了高效的太阳能光-热-电转换。研究成果发表于学术期刊Journal of the American Chemical Society，题为“Atomic-Level Heterometallic Engineering in Single-Crystalline Polyoxometalate-Based MOF for Efficient Solar Photo-Thermo-Electric Conversion”。
文章亮点：
1：通过溶剂热法构筑了一种新型三维框架材料AHF-Zn4。其结构单元是一个新颖的Zn4Mo13氧簇与有机配体桥联形成了扩展的周期性三维网络。这种结构打破了传统多酸簇之间的孤立状态，实现了电荷在簇间的离域传输，从而大幅提升了光生载流子的迁移能力和材料的宏观光热转换效率。
2：基于精确的晶体结构信息，对材料进行了原子级微调：用具有未填满d轨道的磁性金属离子（Co2+、Ni2+、Mn2+）替代了原框架中25%的Zn2+位点。X射线吸收光谱和理论计算表明，掺杂的过渡金属改变了局域配位环境，降低了电荷转移势垒，提高了非辐射弛豫速率，使材料吸收的光能更有效地转化为热能。
3：AHF-CoZn3被进一步集成到全天候太阳能利用系统中，基于其优异的光热转换能力，AHF-CoZn3蒸发器实现了1.43 kg m-2 h-1的蒸发速率，产生的淡水质量符合WHO饮用水标准。结合热电模块，蒸发系统在生产淡水的同时，稳定输出功率高达1088 mW m-2。
图1 0D簇和3D簇基MOF原子配位环境及电子转移路径示意图
图2 AHF-Zn4单晶结构示意图
图3 AHF-CoZn3材料结构表征及DFT计算
图4 AHF-CoZn3材料光吸收及光热转换性能测试
图5 AHF-CoZn3材料太阳能蒸发性能测试
原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c20698
（核稿：黄文欢 编辑：赵诚）
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