圖1 利用廢PET衍生的多孔碳涂覆于木頭構筑雙層太陽能蒸發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筑成雙層太陽能蒸發器，在光熱海水淡化中表現出優異性能。研究表明，ZnO中Lewis酸位點促進PET脫羧基，從而生成含有端乙烯基和芳香環的中間降解產物。這些降解產物易于通過交聯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構，有利于光吸收和水傳輸。

圖2 調控ZnO比例催化PET可控碳化制備多孔碳的微觀結構和孔結構

圖3 雙層太陽能蒸發器界面產生蒸汽的機理

在制備的雙層界面蒸發器中，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，等級多孔碳表現出水分子限域效應，也即是在孔道中多孔碳的含氧基團可以與水分子形成氫鍵，減少水分子的氫鍵數目，從而降低水的蒸發焓。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，強大的毛細作用可以將水迅速泵送到蒸發界面（圖3）。由于這些特點，使得雙層太陽能蒸發器在1個太陽輻照度下具有較高的水蒸發速率（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建的濃度梯度可有效防止鹽分積累并確保快速排鹽，使該雙層太陽能蒸發器具有優良的長期穩定性和良好的耐鹽性。

圖4 雙層太陽能蒸發器用于光熱海水淡化

圖5 雙層太陽能蒸發器用于實際光熱海水淡化

為測試雙層太陽能蒸發器在實際中的產水性能，作者進行了光熱現場測試（圖5）。太陽光照射10 min后，在蒸發器的內壁觀察到大量水珠。即便是在0.1~0.5個太陽光強的輻照下，單位面積日淡水產量為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化為多孔碳與木頭結合構筑了一種新型雙層太陽能蒸發器，為建立可擴展、成本效益高的界面太陽能蒸汽生成系統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為題發表在期刊Energy & Environmental Materials上。華中科技大學化學與化工學院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人才引進基金和國家自然科學基金資助。

論文鏈接：

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

課題組鏈接：

http://www.polymer.cn/ss/gongjiang_hust/index.html