第一作者：Huiying Bai

通訊作者：華中科技大學(xué) 龔江 研究員

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所 唐濤 研究員

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太陽(yáng)蒸發(fā)是利用取之不盡的太陽(yáng)能從非飲用水中生產(chǎn)淡水的一種有前景的技術(shù)。然而，如何制造出低成本且蒸發(fā)焓明顯降低的太陽(yáng)能蒸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)高蒸發(fā)率仍然是一種挑戰(zhàn)。本文采用三聚氰胺/熔融鹽在340 ℃下對(duì)聚對(duì)苯二甲酸乙酯(PET)廢料進(jìn)行低溫炭化，制備了N、O雙摻雜碳泡沫(NCF)。在碳化過(guò)程中，三聚氰胺與PET降解產(chǎn)物的羧酸反應(yīng)生成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，然后熔融鹽催化脫羧脫水，構(gòu)建穩(wěn)定的骨架。由于豐富的N, O官能團(tuán)、3 d聯(lián)通的孔道、超親水性和超低熱導(dǎo)率(0.0599 W m-1 K-1), NCF不僅實(shí)現(xiàn)高光吸光度(ca. 99%)和太陽(yáng)能到熱能的轉(zhuǎn)換，也促進(jìn)了水形成和蒸發(fā)焓降低37 %。NCF具有極高的蒸發(fā)速率(2.4 kg m-2 h-1)，超過(guò)最先進(jìn)的太陽(yáng)能蒸發(fā)器，具有良好的抗酸堿性、長(zhǎng)期耐鹽性和自清潔能力。重要的是，開發(fā)了一種生產(chǎn)淡水的NCF基大型戶外太陽(yáng)能淡化裝置。單位面積日淡水產(chǎn)量(6.3 kg)可以滿足兩只成年魚的日用水量。從垃圾到財(cái)富的戰(zhàn)略將推動(dòng)從廢塑料中開發(fā)出低成本、先進(jìn)的太陽(yáng)能蒸發(fā)器，來(lái)解決全球淡水短缺問(wèn)題。

能源危機(jī)和淡水短缺已成為當(dāng)今社會(huì)最嚴(yán)重的兩個(gè)問(wèn)題。由于地球上97 %的水資源屬于海水，海水淡化獲取淡水是解決全球水資源短缺的積極途徑，特別是在水資源緊張和偏遠(yuǎn)地區(qū)。反滲透等傳統(tǒng)方法產(chǎn)水能力大，但能耗高。近幾十年來(lái)，開發(fā)利用取之不盡、用之不竭的綠色太陽(yáng)能因其多種應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。太陽(yáng)蒸發(fā)被認(rèn)為是最有前途的從海水中生產(chǎn)淡水的技術(shù)之一。然而，傳統(tǒng)的太陽(yáng)蒸發(fā)方法直接加熱大量的水，不可避免地導(dǎo)致明顯的熱損失。相比之下，采用浮動(dòng)結(jié)構(gòu)的氣液界面太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)蒸汽發(fā)生裝置，可避免明顯的熱損失，實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率。

泡沫碳作為一種先進(jìn)的光熱材料，結(jié)合了定制多孔結(jié)構(gòu)和碳材料的固有優(yōu)勢(shì)，受到越來(lái)越多的關(guān)注。首先，粗糙的多孔結(jié)構(gòu)減少了光反射，增強(qiáng)了光在孔隙內(nèi)的散射，提高了太陽(yáng)能的利用率。其次，多孔特性導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)較低，通過(guò)將產(chǎn)生的熱量定位在水與空氣的界面區(qū)域，有效地減少了熱損失。第三，互聯(lián)的多孔結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)高效的蒸汽逸出和水運(yùn)提供了多種通道。最后，由于重量輕的特性，泡沫炭可以在沒(méi)有任何支撐的情況下漂浮在水面上。

每年有數(shù)百萬(wàn)噸的城市和工業(yè)塑料被丟棄，這帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題(如白色污染)和資源的浪費(fèi)。廢塑料加工成高附加值產(chǎn)品已引起廣泛關(guān)注。由于塑料通常含有較高的碳元素，因此將塑料垃圾升級(jí)改造成具有功能的碳材料被認(rèn)為是最有希望的處理塑料垃圾的方法之一。在過(guò)去的二十年里，我們提出了三種策略(即組合催化、活性模板和快速碳化)來(lái)將廢塑料轉(zhuǎn)化為碳納米材料(如碳納米管和石墨烯)，用于光催化、超級(jí)電容器等。所有這些以前的方法都存在碳化溫度高(如700℃)和能源消耗高的問(wèn)題。從可持續(xù)發(fā)展和太陽(yáng)能開發(fā)的角度來(lái)看，利用廢舊塑料合成低成本的碳基太陽(yáng)能蒸發(fā)器可謂一舉兩得。

圖1 PET低溫炭化制備界面太陽(yáng)蒸發(fā)NCF的方案。

圖2 a) NCF放置在樹枝上的照片，證明了它的超輕特性。b,c) NCF的SEM圖像。d)碳元素、e)氮元素和f)氧元素的EDX圖。注:測(cè)試時(shí)NCF粘在碳基導(dǎo)電膠帶表面。g) HRTEM圖，h) XRD圖，i) NCF拉曼光譜。

圖3 NCF和NC的紫外-可見-近紅外吸收光譜。b) 1 kW m-2輻照下NCF和NC@PVDF的表面溫度和紅外圖像。

圖4 NCF界面太陽(yáng)蒸發(fā)的可能機(jī)制方案。

圖5 a) NCF在海水蒸發(fā)中20個(gè)循環(huán)(1 h一個(gè)循環(huán))的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。b) 20個(gè)循環(huán)海水蒸發(fā)過(guò)程中的NCF圖像。c) NCF表面鹽蝕過(guò)程照片。

圖6基于NFC的大型戶外太陽(yáng)能淡化裝置(a)和照片(b-d)。h)白天的日照強(qiáng)度和溫度。i)白天的產(chǎn)水率和累積產(chǎn)水率。

龔江 華中科技大學(xué) 能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)材料化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 研究員，博士，研究員/博士生導(dǎo)師。目前擔(dān)任高分子所黨支部組織委員和紀(jì)檢委員、能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)材料化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室秘書。迄今為止發(fā)表SCI論文110篇。其中第一作者/通訊作者54篇，第一作者/通訊作者的論文中，影響因子 > 20 的3篇，論文的平均影響因子為10.1。4篇論文被選為“HOT Paper”，2篇論文被選為ESI高被引論文。截止2021年12月16日，Google學(xué)術(shù)統(tǒng)計(jì)，論文被引用次數(shù)為3158，H因子為34。

唐濤 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所 研究員，博士生導(dǎo)師，高分子化學(xué)/高分子材料方向，研究領(lǐng)域包括聚合物發(fā)泡材料和納米復(fù)合材料的構(gòu)建及其構(gòu)效關(guān)系，聚合物可控化學(xué)裁剪與碳化反應(yīng)及其在阻燃和回收再利用的應(yīng)用，具有特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的大分子鏈合成與性能調(diào)控。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文270余篇，獲權(quán)發(fā)明專利40余件，3項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。