太阳能界面蒸发与发电集成实现水电联产是缓解淡水匮乏和能源危机的有效方法。然而，构建低成本、高效率的界面水蒸发-发电一体化装置仍具有挑战性，且蒸发-发电的协同机制尚不明确。在最近的工作中(Advanced Functional Materials,影响因子18.5，中科院1区Top期刊)，他们设计了源自废弃聚碳酸酯的碳泡沫高性能蒸发器，实现水电联产。首先，采用"盐辅助碳化法"将废弃聚碳酸酯可控碳化制备碳泡沫材料，该方法具有合成简单、调控精确、过程绿色(水洗涤即可)、普适性等优势。其次，碳泡沫蒸发器具有良好的水传输性能、光吸收能力和较低蒸发焓。得益于此，碳泡沫蒸发器实现高蒸发速率(3.03 kg m^-2 h^-1) 和高电压(0.33 V)输出。分子动力学模拟结果表明碳泡沫的表面官能团与Na⁺的相互作用强于与Cl^-的相互作用，从而形成流动电势。本工作为废弃塑料升级化学回收提供新策略，为构筑高性能水电联产装置提供新思路。

  随着人口快速增长和工业化加快，淡水短缺和能源危机已成为严重的全球性问题。太阳能界面水蒸发可以减少太阳能吸收材料和水之间的热能传播，实现蒸汽的快速释放，具有较高的光热转换效率。特别是将太阳能界面水蒸发与其他技术(例如摩擦电、热电和压电)结合构筑具有双重功能的太阳能集成系统，可以同时实现淡水生产和发电(Advanced Materials 2024, 36, 2313090)。水蒸发发电被认为是一种可持续发展的技术。当电解质溶液通过带电的表面通道时，由于离子的选择性，正离子和负离子会在通道的上下两端聚集，形成浓度梯度、产生电势差。然而，太阳能界面水蒸发与发电联产仍存在挑战。首先，复杂的蒸发诱导发电系统涉及多个步骤，探究蒸发-发电协同机制非常必要。其次，以往技术的只利用了少量蒸发潜热，输出功率和能量转换效率较低，且太阳能热能与发电之间的关系不明确。

  碳泡沫材料结合了多孔结构和碳材料的优势，受到广泛关注。首先，碳泡沫的多孔结构减少了光的再反射，增加了光在孔隙中的散射，提高太阳能利用率，减少热量损失。其次，碳泡沫的多孔结构为离子传输提供了丰富孔道。因此，碳泡沫是极具前景的太阳能界面水蒸发和电力联产的材料。另外当今社会，塑料被应用于生活中的各个方面，大量的废弃塑料造成了严重的资源浪费和环境污染。将废弃塑料碳化制备高附加值材料(例如，碳材料和金属-有机框架(MOF)材料)，可以达到"一箭双雕"目的，不仅为废塑料的升级化学回收提供新策略，还为功能性碳材料和MOF的绿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)。聚碳酸酯是增长最快的工程塑料，被广泛应用于汽车、安全设备和电子行业。传统的热裂解、催化碳化等碳化方法需要使用强酸去除催化剂，抑或难以精确调控聚碳酸酯降解-交联碳化反应和碳材料的结构和性质，因此亟需绿色、高效的废旧聚碳酸酯可控碳化策略。

蒸发器的制备与表征

图1. a) 利用回收的PC制备CF-x蒸发器并用于太阳能界面水蒸发和发电联产的示意图。b) CF-600的SEM图像。c，d) CF-600的TEM图像

图2. CF-x的a) XRD图谱，b) 拉曼图谱和c) TGA曲线。CF-x的XPS谱图：d) 全谱图，e) C 1s和f) O 1s谱图。g) CF-x的N₂吸附-脱附曲线。h) DFT模型和i) BJH模型的孔径分布

光热转化性能表征

图3. a) 直径为15 cm的CF-600蒸发器的照片。b，c) CF-600蒸发器SEM图像。d) 棉布和CF-600蒸发器的水接触角。e) CF-600在拉力作用下的应力-应变曲线。f) 棉布和CF-600的紫外-可见-近红外吸收光谱图。g) 棉布和CF-600的表面温度变化曲线。h) 棉布和CF-600蒸发器在干燥状态时1个太阳照射下的红外图像

界面太阳能蒸发与发电联产测试

机理研究

  COMSOL模拟表明，与棉布相比，CF-600显示出更高的表面温度和明显的热局部效应(图5a和5b)。其次，CF-600的热导率仅为0.06 W m^-1K^-1，减少了热量散失，提高了热局域效应，证明CF-600出色的热管理能力。暗室和DSC测试结果表明CF-600和棉布对降低水的蒸发焓有积极作用(图5c、d)。在拉曼光谱中，CF-600的IW/FW比值为1.20，高于纯水的0.43(图5e、f)；因此，CF-600中的中间水含量增加，有利于水蒸发。

图5. COMSOL模拟a) 棉布和b) CF-600。c) 不同蒸发器在黑暗中的质量损失和蒸发焓。d) 不同蒸发器的DSC曲线。e) 纯水和f) CF-600的拉曼光谱。g) CF-600与3.5 wt% NaCl溶液的MD图。h) Na⁺和Cl^-与CF-600中含氧基团的RDF图。i) Na⁺和Cl^-的MSD图

户外现场实验

图6. a) 户外界面太阳能驱动淡水和电力联产的装置和b-d) 照片。e)辐照强度和温度随时间的变化。 f) CF-600的蒸发速率和累计产水量随时间的变化。g) CF-600的输出电压和电流。h) 由CF-600驱动的小风扇、计算器和 "HUST "电子屏的图片

  本工作提出"盐辅助碳化法"实现废旧聚碳酸酯可控碳化制备碳泡沫材料，并且构筑泡沫碳蒸发器，用于淡水和电力联产。该蒸发器具有良好的水传输性能、光吸收能力和光热转换能力。在1个太阳光照射下，蒸发速率可达3.03 kg m^-2 h^-1，电压为0.33 V，电流为 14.4 μA。蒸发速度随着辐照强度的增加而加快，但电压增强却有一个极限。水蒸发的电动效应和电极底部至顶部离子浓度差的形成是发电的关键。CF-x中含氧官能团与Na⁺和Cl^-的相互作用差异是形成流动电势的主要原因。本工作为废弃塑料可控碳化制备功能碳材料提供新策略，为构筑高性能水电联产装置提供新思路。

  文献信息

  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

  论文链接https://doi.org/10.1002/adfm.202423781

通讯作者介绍

  龚江 博士，华中科技大学化学与化工学院研究员、博士生导师。研究方向为(1) 废旧塑料升级化学回收制备单体、碳材料和金属-有机框架(MOF)材料，(2) 太阳能界面光热水蒸发与光催化、热电、水伏发电、海水提铀、盐湖提锂等集成应用，以及(3) 绿色低成本MOF材料的研发、中试与产业化。在Prog Polym Sci、Adv Mater和Angew Chem Int Ed等期刊发表SCI论文159篇，被引用8000余次，H因子53，19篇论文入选ESI高被引论文，获18项授权的中国专利，另申请24项专利。撰写专著《聚合物碳化反应及其应用》，科学出版社出版，入选"十三五"国家重点出版物出版规划项目高性能高分子材料丛书，获2023年国家科学技术学术著作出版基金资助。主持国家自然科学基金和企业合作项目等16项。入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单(2020、2023和2024年度)，获IUPAC新材料青年奖、湖北省海外高层次人才计划。担任eScience、SusMat、Rare Metals等11个期刊的青年编委，担任eScience、SusMat、Rare Metals等11个期刊的青年编委，以及170个国际期刊的审稿人。指导学生获第十一届中国青年创青春大赛(乡村振兴专项)全国银奖(2024)、第二届"创青春"中国青年碳中和创新创业大赛全国银奖(2024)。