洛阳师范大学/南京林业大学合作《自然·通讯》：新型互锁笼状材料，实现高效太阳能海水淡化

全球淡水短缺危机日益严峻，而海水淡化技术受限于高能耗和材料效率问题。传统光热材料如碳基纳米材料、金属氧化物等虽有一定效果，但复杂互锁结构的高选择性合成仍是巨大挑战，其拓扑构型调控及光热性能优化尚未突破。郑州大学联合团队创新性地利用半夹心铑基单元与咔唑配体的自组装特性，为这一领域带来新曙光。

洛阳师范学院党理龙副教授、赵颖副教授和南京林业大学田丹教授合作设计出两种咔唑基配体L1与L2，通过与四种半夹心铑结构单元定向组装，成功合成了三类分子镊状化合物、三种互锁笼状结构以及大环/六核笼共八种新型化合物。单晶衍射证实其独特拓扑构型，其中互锁笼5-7(OTf)₁₂展现出紫外-近红外宽谱吸收特性。将其负载于微孔基膜后，光热蒸发速率最高达1.52 kg·m⁻²·h⁻¹，离子脱除率完全符合世界卫生组织饮用水标准，为海水淡化及废水处理提供全新解决方案。相关论文以“Highly selective synthesis of interlocked carbazole-based cages and their applications in photothermal seawater desalination”为题，发表在

拓扑结构精准调控，光热机制深度解析

研究团队通过图1揭示了关键化合物的合成路径：双齿配体L1与铑单元E1-E3形成分子镊状结构1-3(OTf)₈，而与E4单元则生成四核大环4(OTf)₄；三齿配体L2则导向了互锁笼5-7(OTf)₁₂及六核笼8(OTf)₆的构筑。图2单晶结构显示，分子镊2(OTf)₈中咔唑单元通过π-π堆叠（层距3.39-3.49Å）稳定其扭曲构型，类似堆叠在3(OTf)₈中同样存在（层距3.38-3.43Å）。

图1 | 化合物1(OTf)₈、2(OTf)₈、3(OTf)₈（分子镊状）、4(OTf)₄（四核大环）、5(OTf)₁₂、6(OTf)₁₂、7(OTf)₁₂（互锁笼）及8(OTf)₆（六核笼）的合成路线。底部展示四种常用半夹心铑结构单元（E1-E4）的尺寸与共轭平面差异。

图2 | 分子镊状化合物2(OTf)₈和3(OTf)₈的分子结构。(a,c) 侧视图展示咔唑单元间π-π堆叠；(b,d) 俯视图；(e) 空间填充模型。为清晰省略部分氢原子、阴离子及溶剂分子（N蓝色、O红色、C灰色、Rh浅绿、Br深红）。

图3首次呈现了互锁笼的微观互锁机制：5(OTf)₁₂中两个"螺旋桨状"六核笼相互贯穿，咔唑平面形成四组π-π堆叠（层距3.25-3.78Å），6(OTf)₁₂中也观察到类似相互作用（层距3.31-3.51Å）。图4-5通过ESI-TOF质谱与多维核磁（如6(OTf)₁₂扩散系数D=2.31×10⁻⁶ cm²/s）证实了溶液中结构的稳定性，浓度与溶剂极性实验表明6(OTf)₁₂在甲醇与乙腈中均保持单相扩散。

图3 | 互锁笼5(OTf)₁₂和6(OTf)₁₂的分子结构。(a,d) 侧视图及咔唑单元π-π堆叠示意；(b,e) 俯视图；(c,f) 空间填充模型。省略部分原子（N蓝色、O红色、C灰色、Rh浅绿）。

图4 | 化合物1(OTf)₈、2(OTf)₈、5(OTf)₁₂、7(OTf)₁₂的ESI-TOF-MS谱图：(a,e,i) [1-3OTf]³⁺；(b,f,j) [2-3OTf]³⁺；(c,g,k) [5-5OTf]⁵⁺；(d,h,l) [7-5OTf]⁵⁺。

图5 | 互锁笼7(OTf)₁₂的核磁表征。(a) ¹H DOSY谱（扩散系数2.29×10⁻⁶ cm²/s）；(b) ¹H NMR谱（CD₃OD溶剂）。

光热性能领跑，海水淡化效率突破

图6揭示了核心性能：6(OTf)₁₂固态在0.9W/cm²激光下升温155.4°C（26.9→182.3°C），溶液在1.5W/cm²下升温54.1°C（28.7→82.8°C），显著优于其他结构。EPR谱（图6g-i）显示其信号强度达前体的4.99倍，证实π-π堆叠促进非辐射跃迁。理论计算表明E2(OTf)₂单元带隙最小，是6(OTf)₁₂高效光热转化的关键。

图6 | 紫外-可见吸收、近红外光热转换及EPR实验。(a) 5-7在甲醇中的550-800nm吸收；(b) 固态样品在0.6W/cm²下的升温曲线；(c) 固态样品540-800nm吸收；(d) 5-7在溶液中的多强度升温曲线；(e) 1.5W/cm²下溶液升温；(f) 6(OTf)₁₂溶液的红外热成像；(g-i) 5-7的EPR谱（100Hz, 298K）。

图7展示了实际应用成果：Janus双层膜6'(OTf)₁₂顶部接触角85°（疏水）、底部5°（超亲水），在1kW/m²光照下膜表面温度达52.2°C，蒸发速率1.52 kg·m⁻²·h⁻¹（达普通水的3.45倍）。淡化后Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺浓度显著低于WHO标准（如Na⁺从10.8mg/L降至0.2mg/L）。经10次循环（6h/次）性能稳定，染料废水处理效率仅降低8%，凸显环境耐受性。对比文献数据（图7i），该膜蒸发速率与光热效率位居领域前列。

图7 | 海水淡化实验。(a) 6'膜截面/表面电镜图及(b) 接触角；(c) 1kW/m²光照下膜表面红外图像与(d) 温度变化；(e) 蒸发装置示意图（CM：纤维素膜；PS：聚苯乙烯泡沫）；(f) 不同样品蒸发质量变化；(g) 脱盐前后离子浓度；(h) 5'-7'膜的循环稳定性；(i) 与文献材料的蒸发速率/效率对比。

开启拓扑材料应用新篇章

该工作通过精确调控半夹心单元尺寸与配体设计，实现了互锁笼状结构的高效合成，其独特的π-π堆叠与非辐射跃迁机制为光热材料开发提供新范式。所构建的Janus淡化膜兼具高稳定性与环境适应性，为可持续水资源管理开辟了新路径。未来基于拓扑结构的光热转化机制研究有望拓展至更多能源与环境领域。

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