塑料对人类社会进步和经济发展发挥着重要作用的同时，塑料的大规模生产和使用不可避免地产生大量的废弃塑料，给地球生态环境造成严重威胁。塑料通常含有较高含量的碳元素，将废弃塑料转化成高附加值的碳材料不仅为城市废弃塑料的高值化利用提供新途径，还为制备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，淡水资源短缺也是当今世界面临的主要挑战之一。近年来，太阳能驱动的界面水蒸发已成为一种用于高效、清洁水生产的创新和可持续发展技术（Nature Energy 3 (2018) 1031-1041），但是目前太阳能界面蒸发器还存在蒸发速率低、价格昂贵、光热转换材料的多孔结构作用机制不明确等问题。

图1 利用废PET衍生的多孔碳涂覆于木头构筑双层太阳能蒸发器用于太阳能海水淡化

  在最近的工作中（Energy & Environmental Materials 2021, Doi: 10.1002/eem2.12199, 影响因子15.1），他们采用ZnO作为催化剂精确调控废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的碳化制备具有高比表面积的多孔碳（图1和图2），并涂覆于木头表面构筑成双层太阳能蒸发器，在光热海水淡化中表现出优异性能。研究表明，ZnO中Lewis酸位点促进PET脱羧基，从而生成含有端乙烯基和芳香环的中间降解产物。这些降解产物易于通过交联或者分子间聚合形成碳材料的骨架，有利于形成丰富的微孔（0.4~2 nm）。与此同时，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）。通过调控ZnO与PET比例制备的等级多孔碳材料具有丰富的纳米孔结构，有利于光吸收和水传输。

图2 调控ZnO比例催化PET可控碳化制备多孔碳的微观结构和孔结构

图3 双层太阳能蒸发器界面产生蒸汽的机理

  在制备的双层界面蒸发器中，得益于高比表面积（1164 m² g^-1）、丰富的微/中/大孔、大量的含氧官能团，等级多孔碳表现出水分子限域效应，也即是在孔道中多孔碳的含氧基团可以与水分子形成氢键，减少水分子的氢键数目，从而降低水的蒸发焓。另一方面，木头基体具有丰富的微孔通道和固有的超亲水性，强大的毛细作用可以将水迅速泵送到蒸发界面（图3）。由于这些特点，使得双层太阳能蒸发器在1个太阳辐照度下具有较高的水蒸发速率（2.38 kg m^-2 h^-1，图4），且海水中盐的去除率超过99.9%。在海水传输过程中，微孔通道和纳米孔道构建的浓度梯度可有效防止盐分积累并确保快速排盐，使该双层太阳能蒸发器具有优良的长期稳定性和良好的耐盐性。

图4 双层太阳能蒸发器用于光热海水淡化

图5 双层太阳能蒸发器用于实际光热海水淡化

  为测试双层太阳能蒸发器在实际中的产水性能，作者进行了光热现场测试（图5）。太阳光照射10 min后，在蒸发器的内壁观察到大量水珠。即便是在0.1~0.5个太阳光强的辐照下，单位面积日淡水产量为3.65 kg m^-2，因而按此放大1 m²，就能够满足一个成人一天的饮水量。该工作利用低成本的废聚酯转化为多孔碳与木头结合构筑了一种新型双层太阳能蒸发器，为建立可扩展、成本效益高的界面太阳能蒸汽生成系统提供了一种新的策略，为解决全球淡水短缺问题和白色污染问题提出了新的策略。

  以上研究成果以Rational design of high-performance bilayer solar evaporator by using waste polyester-derived porous carbon-coated wood为题发表在期刊Energy & Environmental Materials上。华中科技大学化学与化工学院2019级硕士研究生刘宁为第一作者，博士研究生郝亮、本科生张博易、牛冉研究员为共同作者，龚江研究员和中科院长春应化所唐涛研究员为共同通讯作者。该工作得到华中科技大学人才引进基金和国家自然科学基金资助。

  论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/eem2.12199

  课题组链接：http://www.polymer.cn/ss/gongjiang_hust/index.html