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  太陽能界面蒸發與發電集成實現水電聯產是緩解淡水匱乏和能源危機的有效方法。然而，構建低成本、高效率的界面水蒸發-發電一體化裝置仍具有挑戰性，且蒸發-發電的協同機制尚不明確。在最近的工作中(Advanced Functional Materials,影響因子18.5，中科院1區Top期刊)，他們設計了源自廢棄聚碳酸酯的碳泡沫高性能蒸發器，實現水電聯產。首先，采用"鹽輔助碳化法"將廢棄聚碳酸酯可控碳化制備碳泡沫材料，該方法具有合成簡單、調控精確、過程綠色(水洗滌即可)、普適性等優勢。其次，碳泡沫蒸發器具有良好的水傳輸性能、光吸收能力和較低蒸發焓。得益于此，碳泡沫蒸發器實現高蒸發速率(3.03 kg m^-2 h^-1) 和高電壓(0.33 V)輸出。分子動力學模擬結果表明碳泡沫的表面官能團與Na⁺的相互作用強于與Cl^-的相互作用，從而形成流動電勢。本工作為廢棄塑料升級化學回收提供新策略，為構筑高性能水電聯產裝置提供新思路。

  隨著人口快速增長和工業化加快，淡水短缺和能源危機已成為嚴重的全球性問題。太陽能界面水蒸發可以減少太陽能吸收材料和水之間的熱能傳播，實現蒸汽的快速釋放，具有較高的光熱轉換效率。特別是將太陽能界面水蒸發與其他技術(例如摩擦電、熱電和壓電)結合構筑具有雙重功能的太陽能集成系統，可以同時實現淡水生產和發電(Advanced Materials 2024, 36, 2313090)。水蒸發發電被認為是一種可持續發展的技術。當電解質溶液通過帶電的表面通道時，由于離子的選擇性，正離子和負離子會在通道的上下兩端聚集，形成濃度梯度、產生電勢差。然而，太陽能界面水蒸發與發電聯產仍存在挑戰。首先，復雜的蒸發誘導發電系統涉及多個步驟，探究蒸發-發電協同機制非常必要。其次，以往技術的只利用了少量蒸發潛熱，輸出功率和能量轉換效率較低，且太陽能熱能與發電之間的關系不明確。

  碳泡沫材料結合了多孔結構和碳材料的優勢，受到廣泛關注。首先，碳泡沫的多孔結構減少了光的再反射，增加了光在孔隙中的散射，提高太陽能利用率，減少熱量損失。其次，碳泡沫的多孔結構為離子傳輸提供了豐富孔道。因此，碳泡沫是極具前景的太陽能界面水蒸發和電力聯產的材料。另外當今社會，塑料被應用于生活中的各個方面，大量的廢棄塑料造成了嚴重的資源浪費和環境污染。將廢棄塑料碳化制備高附加值材料(例如，碳材料和金屬-有機框架(MOF)材料)，可以達到"一箭雙雕"目的，不僅為廢塑料的升級化學回收提供新策略，還為功能性碳材料和MOF的綠色低成本合成提供新方法(Progress in Polymer Science 2019, 94, 1-32; Coordination Chemistry Reviews 2024, 518, 216106)。聚碳酸酯是增長最快的工程塑料，被廣泛應用于汽車、安全設備和電子行業。傳統的熱裂解、催化碳化等碳化方法需要使用強酸去除催化劑，抑或難以精確調控聚碳酸酯降解-交聯碳化反應和碳材料的結構和性質，因此亟需綠色、高效的廢舊聚碳酸酯可控碳化策略。

蒸發器的制備與表征

圖1. a) 利用回收的PC制備CF-x蒸發器并用于太陽能界面水蒸發和發電聯產的示意圖。b) CF-600的SEM圖像。c，d) CF-600的TEM圖像

圖2. CF-x的a) XRD圖譜，b) 拉曼圖譜和c) TGA曲線。CF-x的XPS譜圖：d) 全譜圖，e) C 1s和f) O 1s譜圖。g) CF-x的N₂吸附-脫附曲線。h) DFT模型和i) BJH模型的孔徑分布

光熱轉化性能表征

圖3. a) 直徑為15 cm的CF-600蒸發器的照片。b，c) CF-600蒸發器SEM圖像。d) 棉布和CF-600蒸發器的水接觸角。e) CF-600在拉力作用下的應力-應變曲線。f) 棉布和CF-600的紫外-可見-近紅外吸收光譜圖。g) 棉布和CF-600的表面溫度變化曲線。h) 棉布和CF-600蒸發器在干燥狀態時1個太陽照射下的紅外圖像

界面太陽能蒸發與發電聯產測試

機理研究

  COMSOL模擬表明，與棉布相比，CF-600顯示出更高的表面溫度和明顯的熱局部效應(圖5a和5b)。其次，CF-600的熱導率僅為0.06 W m^-1K^-1，減少了熱量散失，提高了熱局域效應，證明CF-600出色的熱管理能力。暗室和DSC測試結果表明CF-600和棉布對降低水的蒸發焓有積極作用(圖5c、d)。在拉曼光譜中，CF-600的IW/FW比值為1.20，高于純水的0.43(圖5e、f)；因此，CF-600中的中間水含量增加，有利于水蒸發。

圖5. COMSOL模擬a) 棉布和b) CF-600。c) 不同蒸發器在黑暗中的質量損失和蒸發焓。d) 不同蒸發器的DSC曲線。e) 純水和f) CF-600的拉曼光譜。g) CF-600與3.5 wt% NaCl溶液的MD圖。h) Na⁺和Cl^-與CF-600中含氧基團的RDF圖。i) Na⁺和Cl^-的MSD圖

戶外現場實驗

圖6. a) 戶外界面太陽能驅動淡水和電力聯產的裝置和b-d) 照片。e)輻照強度和溫度隨時間的變化。 f) CF-600的蒸發速率和累計產水量隨時間的變化。g) CF-600的輸出電壓和電流。h) 由CF-600驅動的小風扇、計算器和 "HUST "電子屏的圖片

  本工作提出"鹽輔助碳化法"實現廢舊聚碳酸酯可控碳化制備碳泡沫材料，并且構筑泡沫碳蒸發器，用于淡水和電力聯產。該蒸發器具有良好的水傳輸性能、光吸收能力和光熱轉換能力。在1個太陽光照射下，蒸發速率可達3.03 kg m^-2 h^-1，電壓為0.33 V，電流為 14.4 μA。蒸發速度隨著輻照強度的增加而加快，但電壓增強卻有一個極限。水蒸發的電動效應和電極底部至頂部離子濃度差的形成是發電的關鍵。CF-x中含氧官能團與Na⁺和Cl^-的相互作用差異是形成流動電勢的主要原因。本工作為廢棄塑料可控碳化制備功能碳材料提供新策略，為構筑高性能水電聯產裝置提供新思路。

  文獻信息

  Guixin Hu, Huajian Liu, Kuankuan Liu, Huiyue Wang, Xueying Wen, Lijie Liu, Yan She, Lingling Feng, Ran Niu*, Jiang Gong*. All-in-one carbon foam evaporators for efficient co-generation of freshwater and electricity. Advanced Functional Materials 2025, 202423781, doi: 10.1002/adfm.202423781

  論文鏈接https://doi.org/10.1002/adfm.202423781

通訊作者介紹

  龔江 博士，華中科技大學化學與化工學院研究員、博士生導師。研究方向為(1) 廢舊塑料升級化學回收制備單體、碳材料和金屬-有機框架(MOF)材料，(2) 太陽能界面光熱水蒸發與光催化、熱電、水伏發電、海水提鈾、鹽湖提鋰等集成應用，以及(3) 綠色低成本MOF材料的研發、中試與產業化。在Prog Polym Sci、Adv Mater和Angew Chem Int Ed等期刊發表SCI論文159篇，被引用8000余次，H因子53，19篇論文入選ESI高被引論文，獲18項授權的中國專利，另申請24項專利。撰寫專著《聚合物碳化反應及其應用》，科學出版社出版，入選"十三五"國家重點出版物出版規劃項目高性能高分子材料叢書，獲2023年國家科學技術學術著作出版基金資助。主持國家自然科學基金和企業合作項目等16項。入選斯坦福大學全球前2%頂尖科學家榜單(2020、2023和2024年度)，獲IUPAC新材料青年獎、湖北省海外高層次人才計劃。擔任eScience、SusMat、Rare Metals等11個期刊的青年編委，擔任eScience、SusMat、Rare Metals等11個期刊的青年編委，以及170個國際期刊的審稿人。指導學生獲第十一屆中國青年創青春大賽(鄉村振興專項)全國銀獎(2024)、第二屆"創青春"中國青年碳中和創新創業大賽全國銀獎(2024)。