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  塑料對人類社會進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著重要作用的同時，塑料的大規(guī)模生產(chǎn)和使用不可避免地產(chǎn)生大量的廢棄塑料，給地球生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。塑料通常含有較高含量的碳元素，將廢棄塑料轉(zhuǎn)化成高附加值的碳材料不僅為城市廢棄塑料的高值化利用提供新途徑，還為制備功能性碳材料提供新方法（Progress in Polymer Science 94 (2019) 1-32; Nature Catalysis 3 (2020) 902-912）。另外，淡水資源短缺也是當(dāng)今世界面臨的主要挑戰(zhàn)之一。近年來，太陽能驅(qū)動的界面水蒸發(fā)已成為一種用于高效、清潔水生產(chǎn)的創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展技術(shù)（Nature Energy 3 (2018) 1031-1041），但是目前太陽能界面蒸發(fā)器還存在蒸發(fā)速率低、價格昂貴、光熱轉(zhuǎn)換材料的多孔結(jié)構(gòu)作用機(jī)制不明確等問題。

圖1 利用廢PET衍生的多孔碳涂覆于木頭構(gòu)筑雙層太陽能蒸發(fā)器用于太陽能海水淡化

  在最近的工作中（Energy & Environmental Materials 2021, Doi: 10.1002/eem2.12199, 影響因子15.1），他們采用ZnO作為催化劑精確調(diào)控廢棄聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）的碳化制備具有高比表面積的多孔碳（圖1和圖2），并涂覆于木頭表面構(gòu)筑成雙層太陽能蒸發(fā)器，在光熱海水淡化中表現(xiàn)出優(yōu)異性能。研究表明，ZnO中Lewis酸位點促進(jìn)PET脫羧基，從而生成含有端乙烯基和芳香環(huán)的中間降解產(chǎn)物。這些降解產(chǎn)物易于通過交聯(lián)或者分子間聚合形成碳材料的骨架，有利于形成豐富的微孔（0.4~2 nm）。與此同時，ZnO起到物理模板的作用，形成大量的介孔（2~50 nm）和大孔（50~300 nm）。通過調(diào)控ZnO與PET比例制備的等級多孔碳材料具有豐富的納米孔結(jié)構(gòu)，有利于光吸收和水傳輸。

圖2 調(diào)控ZnO比例催化PET可控碳化制備多孔碳的微觀結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)

圖3 雙層太陽能蒸發(fā)器界面產(chǎn)生蒸汽的機(jī)理

  在制備的雙層界面蒸發(fā)器中，得益于高比表面積（1164 m² g^-1）、豐富的微/中/大孔、大量的含氧官能團(tuán)，等級多孔碳表現(xiàn)出水分子限域效應(yīng)，也即是在孔道中多孔碳的含氧基團(tuán)可以與水分子形成氫鍵，減少水分子的氫鍵數(shù)目，從而降低水的蒸發(fā)焓。另一方面，木頭基體具有豐富的微孔通道和固有的超親水性，強(qiáng)大的毛細(xì)作用可以將水迅速泵送到蒸發(fā)界面（圖3）。由于這些特點，使得雙層太陽能蒸發(fā)器在1個太陽輻照度下具有較高的水蒸發(fā)速率（2.38 kg m^-2 h^-1，圖4），且海水中鹽的去除率超過99.9%。在海水傳輸過程中，微孔通道和納米孔道構(gòu)建的濃度梯度可有效防止鹽分積累并確�？焖倥披}，使該雙層太陽能蒸發(fā)器具有優(yōu)良的長期穩(wěn)定性和良好的耐鹽性。

圖4 雙層太陽能蒸發(fā)器用于光熱海水淡化

圖5 雙層太陽能蒸發(fā)器用于實際光熱海水淡化

  為測試雙層太陽能蒸發(fā)器在實際中的產(chǎn)水性能，作者進(jìn)行了光熱現(xiàn)場測試（圖5）。太陽光照射10 min后，在蒸發(fā)器的內(nèi)壁觀察到大量水珠。即便是在0.1~0.5個太陽光強(qiáng)的輻照下，單位面積日淡水產(chǎn)量為3.65 kg m^-2，因而按此放大1 m²，就能夠滿足一個成人一天的飲水量。該工作利用低成本的廢聚酯轉(zhuǎn)化為多孔碳與木頭結(jié)合構(gòu)筑了一種新型雙層太陽能蒸發(fā)器，為建立可擴(kuò)展、成本效益高的界面太陽能蒸汽生成系統(tǒng)提供了一種新的策略，為解決全球淡水短缺問題和白色污染問題提出了新的策略。

  以上研究成果以Rational design of high-performance bilayer solar evaporator by using waste polyester-derived porous carbon-coated wood為題發(fā)表在期刊Energy & Environmental Materials上。華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院2019級碩士研究生劉寧為第一作者，博士研究生郝亮、本科生張博易、牛冉研究員為共同作者，龔江研究員和中科院長春應(yīng)化所唐濤研究員為共同通訊作者。該工作得到華中科技大學(xué)人才引進(jìn)基金和國家自然科學(xué)基金資助。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/eem2.12199

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