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  淡水資源短缺和能源危機(jī)是威脅全球可持續(xù)發(fā)展的兩大因素，在最近幾十年里，人們致力于開發(fā)清潔高效的淡水生產(chǎn)技術(shù)。其中，界面太陽能蒸發(fā)產(chǎn)水技術(shù)，因其操作簡便、清潔無污染、能量利用率高等特點，受到廣泛的研究和關(guān)注。光熱材料作為太陽能蒸發(fā)器的重要組成部分，起著光吸收和熱轉(zhuǎn)換的作用。碳基材料由于太陽光全譜吸收、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)種類多樣等優(yōu)點，成為研究最多的光熱材料之一。

  金屬-有機(jī)框架（Metal-Organic Frameworks），簡稱MOFs，是由有機(jī)配體和金屬離子或團(tuán)簇通過配位鍵自組裝形成的具有分子內(nèi)孔隙的有機(jī)-無機(jī)雜化材料。MOFs在氣體吸附、氣體儲存、氣體分離、催化劑等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。近年來，利用MOFs熱解法制備的結(jié)構(gòu)獨特的碳基材料，在能量轉(zhuǎn)化與儲存等領(lǐng)域有著廣泛研究。然而，目前鮮少有工作將MOFs衍生的碳材料應(yīng)用于光熱蒸發(fā)產(chǎn)水。在已報道工作中，將MOFs衍生的碳材料用于光熱海水淡化，蒸發(fā)性能在一個太陽光強(qiáng)下低于1.5 kg m^-2 h^?1。另一方面，天然木材具有豐富的親水微通道，通過毛細(xì)力快速輸送水分，并且與水形成氫鍵以降低水蒸發(fā)焓，提高蒸發(fā)速率。目前，利用木材制備太陽能蒸發(fā)器已取得了很大進(jìn)展，但仍存在制備過程復(fù)雜或不能精確控制表面碳層結(jié)構(gòu)的問題。

圖1 金屬-有機(jī)框架材料可控碳化制備海膽狀多孔碳材料并用于光熱海水淡化

  在最近的工作中（Chemical Engineering Journal 423 (2021) 130268，影響因子 13.273），他們首次利用金屬-有機(jī)框架材料Ni-MOF熱解制備海膽狀多孔碳材料SUC，并涂覆于木頭表面組成復(fù)合蒸發(fā)器（圖1），展現(xiàn)出優(yōu)異的界面光熱海水蒸發(fā)性能。在不同的碳化溫度下，Ni-MOF衍生的碳材料SUC具有不同的形貌（圖2），隨著碳化溫度從500 °C升高到800 °C，海膽的次級結(jié)構(gòu)逐漸從微米棒轉(zhuǎn)變?yōu)樘技{米管，并且碳管頂端包裹有金屬納米顆粒。全部由碳管組成的SUC-700，表現(xiàn)出豐富的孔結(jié)構(gòu)（主要在微孔0.9 nm，介孔3.2 nm和9.3 nm）和較高的比表面積（235.2 m² g^-1），有利于光吸收和水傳輸。

圖2（a）金屬-有機(jī)框架材料Ni-MOF及其不同碳化溫度制備的材料（b）SUC-500,（c）SUC-600,（d）SUC-700,（e）SUC-800的形貌示意圖和SEM圖

  本工作中的海膽狀碳材料具有較高的比表面積、豐富的親水含氮和含氧基團(tuán)，能起到很好的光吸收和熱轉(zhuǎn)換作用。另一方面，木頭具有豐富的微孔通道和親水官能團(tuán)，能夠快速傳輸水分子并降低水的蒸發(fā)焓，從而提高水蒸發(fā)速率。將海膽狀碳材料和自漂浮木頭相結(jié)合，組成復(fù)合蒸發(fā)器，并展現(xiàn)出優(yōu)異的界面光熱水蒸發(fā)性能（圖3）。比如，在1個太陽光強(qiáng)下，SUC-700@W蒸發(fā)器的產(chǎn)水速率達(dá)到2.07 kg m^-2 h^-1，能量轉(zhuǎn)化效率為91.5%，鹽去除率高于99.9%。與此同時，對于生活廢水、湖水、染料污水等都有很好的分離純化效果，達(dá)到了飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。重復(fù)使用10次后，產(chǎn)水速率仍然保持在2.07 kg m^-2 h^-1左右。

圖3 海膽狀多孔碳SUC-700涂覆于木頭并用于光熱海水淡化

圖4 海膽狀多孔碳SUC-700涂覆于木頭并用于實際光熱海水淡化

  為測試復(fù)合蒸發(fā)器在實際中的產(chǎn)水性能，他們進(jìn)行了光熱現(xiàn)場測試（圖4）。將放大制備的SUC-700@W放置在自制的蒸發(fā)裝置內(nèi)，不久便明顯觀察到蒸餾水。該天中，最大光強(qiáng)和最高溫度分別為0.36 kW m^-2和24 °C，最高產(chǎn)水速率和累積產(chǎn)水量分別為0.48 kg m-2 h-1和2.74 kg m^-2，將其按照1平米的放大則滿足一個成年人一天的需水量。SUC-700@W蒸發(fā)器制備簡單、易于放大，在實際應(yīng)用中潛在的應(yīng)用價值。

  以上研究成果以Controllable synthesis of sea urchin-like carbon from metal-organic frameworks for advanced solar vapor generators為題發(fā)表在期刊Chemical Engineering Journal上。該工作的第一作者是華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院2020級碩士研究生何攀攀，牛冉研究員和龔江研究員是共同通訊作者。論文作者還包括華中科技大學(xué)的博士研究生郝亮、碩士研究生劉寧和白慧穎。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721018556

  課題組鏈接：http://jiyikeji.com/ss/gongjiang_hust/index.html