信息来源：Energy & Environmental Materials第一作者：Huiying Bai
通讯作者：华中科技大学 龚江 研究员
中国科学院长春应用化学研究所 唐涛 研究员
文章链接:
https:///10.1002/eem2.12235
太阳蒸发是利用取之不尽的太阳能从非饮用水中生产淡水的一种有前景的技术。然而，如何制造出低成本且蒸发焓明显降低的太阳能蒸发器来实现高蒸发率仍然是一种挑战。本文采用三聚氰胺/熔融盐在340 ℃下对聚对苯二甲酸乙酯(PET)废料进行低温炭化，制备了N、O双掺杂碳泡沫(NCF)。在碳化过程中，三聚氰胺与PET降解产物的羧酸反应生成交联网络，然后熔融盐催化脱羧脱水，构建稳定的骨架。由于丰富的N, O官能团、3 d联通的孔道、超亲水性和超低热导率(0.0599 W m-1 K-1), NCF不仅实现高光吸光度(ca. 99%)和太阳能到热能的转换，也促进了水形成和蒸发焓降低37 %。NCF具有极高的蒸发速率(2.4 kg m-2 h-1)，超过最先进的太阳能蒸发器，具有良好的抗酸碱性、长期耐盐性和自清洁能力。重要的是，开发了一种生产淡水的NCF基大型户外太阳能淡化装置。单位面积日淡水产量(6.3 kg)可以满足两只成年鱼的日用水量。从垃圾到财富的战略将推动从废塑料中开发出低成本、先进的太阳能蒸发器，来解决全球淡水短缺问题。
能源危机和淡水短缺已成为当今社会最严重的两个问题。由于地球上97 %的水资源属于海水，海水淡化获取淡水是解决全球水资源短缺的积极途径，特别是在水资源紧张和偏远地区。反渗透等传统方法产水能力大，但能耗高。近几十年来，开发利用取之不尽、用之不竭的绿色太阳能因其多种应用而受到广泛关注。太阳蒸发被认为是最有前途的从海水中生产淡水的技术之一。然而，传统的太阳蒸发方法直接加热大量的水，不可避免地导致明显的热损失。相比之下，采用浮动结构的气液界面太阳能驱动蒸汽发生装置，可避免明显的热损失，实现较高的转换效率。
泡沫碳作为一种先进的光热材料，结合了定制多孔结构和碳材料的固有优势，受到越来越多的关注。首先，粗糙的多孔结构减少了光反射，增强了光在孔隙内的散射，提高了太阳能的利用率。其次，多孔特性导致导热系数较低，通过将产生的热量定位在水与空气的界面区域，有效地减少了热损失。第三，互联的多孔结构为实现高效的蒸汽逸出和水运提供了多种通道。最后，由于重量轻的特性，泡沫炭可以在没有任何支撑的情况下漂浮在水面上。
每年有数百万吨的城市和工业塑料被丢弃，这带来了严重的环境问题(如白色污染)和资源的浪费。废塑料加工成高附加值产品已引起广泛关注。由于塑料通常含有较高的碳元素，因此将塑料垃圾升级改造成具有功能的碳材料被认为是最有希望的处理塑料垃圾的方法之一。在过去的二十年里，我们提出了三种策略(即组合催化、活性模板和快速碳化)来将废塑料转化为碳纳米材料(如碳纳米管和石墨烯)，用于光催化、超级电容器等。所有这些以前的方法都存在碳化温度高(如700℃)和能源消耗高的问题。从可持续发展和太阳能开发的角度来看，利用废旧塑料合成低成本的碳基太阳能蒸发器可谓一举两得。
图1 PET低温炭化制备界面太阳蒸发NCF的方案。
图2 a) NCF放置在树枝上的照片，证明了它的超轻特性。b,c) NCF的SEM图像。d)碳元素、e)氮元素和f)氧元素的EDX图。注:测试时NCF粘在碳基导电胶带表面。g) HRTEM图，h) XRD图，i) NCF拉曼光谱。
图3 NCF和NC的紫外-可见-近红外吸收光谱。b) 1 kW m-2辐照下NCF和NC@PVDF的表面温度和红外图像。
图5 a) NCF在海水蒸发中20个循环(1 h一个循环)的长期稳定性。b) 20个循环海水蒸发过程中的NCF图像。c) NCF表面盐蚀过程照片。
图6基于NFC的大型户外太阳能淡化装置(a)和照片(b-d)。h)白天的日照强度和温度。i)白天的产水率和累积产水率。
龚江 华中科技大学 能量转换与存储材料化学教育部重点实验室 研究员，博士，研究员/博士生导师。目前担任高分子所党支部组织委员和纪检委员、能量转换与存储材料化学教育部重点实验室秘书。迄今为止发表SCI论文110篇。其中第一作者/通讯作者54篇，第一作者/通讯作者的论文中，影响因子 > 20 的3篇，论文的平均影响因子为10.1。4篇论文被选为“HOT Paper”，2篇论文被选为ESI高被引论文。截止2021年12月16日，Google学术统计，论文被引用次数为3158，H因子为34。
唐涛 中国科学院长春应用化学研究所 研究员，博士生导师，高分子化学/高分子材料方向，研究领域包括聚合物发泡材料和纳米复合材料的构建及其构效关系，聚合物可控化学裁剪与碳化反应及其在阻燃和回收再利用的应用，具有特定拓扑结构的大分子链合成与性能调控。研究团队发表论文270余篇，获权发明专利40余件，3项技术实现产业化应用。
