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。
以废旧聚碳酸酯
(
PC)
光盘
为前驱体，制备了碳泡沫
(
CF-
x
)
材料
(
图
1a)
。
也即是
在球磨和
NaOH
的共同作用下，
PC
发生碱解
生成
Na-PC
。然后在
500-700 °C
下碳化
Na-PC
，
水洗涤
去除
Na
2
CO
3
，制备
CF-
x
(
x
表示碳化温度
)
。该方法具有诸多优势，包括步骤简单、调控精确、过程绿色
(
水洗涤即可
)
、适合多种聚酯
(
例如聚乳酸、聚己内酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯
)
碳化，我们将其命名为
"
盐辅助碳化法
"
。随后
将
CF-
x
涂覆在棉布上
，
制备
复合蒸发器
。
CF-600
呈现约
100 nm
的相互连接的交联多孔结构
(
图
1b)
。
Na-PC
的自组装和金属的模板效应促成了互连网络的形成。
TEM(
图
1c
、
d)
验证了
CF-600
的
泡沫
结构。
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
CF-
x
在
2
θ
=17°-30°
的衍射峰归因于石墨
(002)
晶面
(
图
2a)
。
CF-
x
的拉曼图谱中
(
图
2b)
，在
1360
和
1600 cm
-1
的
D
和
G
带特征峰分别代表缺陷碳和
sp
2
键合碳的面内伸展振动。可通过
D
与
G
带的比值
(
I
D
/
I
G
)
来表征缺陷程度。当碳化温度从
500 ℃
升至
700 ℃
时，
I
D
/
I
G
值从
2.22
降至
1.97
。
TGA
曲线
分为两个阶段
(
图
2c)
。
100-400 °C
时重量的微小下降是由于化学结合水的脱离和含氧官能团的分解。
400-560 °C
时，碳骨架氧化导致重量明显
减少
。
XPS
结果表明
CF-
x
主要
由
C
和
O
组成
(
图
2d-2f)
，丰富的含氧基团有利于水的迁移和与水分子生成氢键。在相对压力为
0.5-1.0
时，
CF-
x
显示出明显的滞后环
(
图
2g)
，表明具有丰富的微孔和中孔。根据
DFT
和
BJH
模型
(
图
2h
、
i)
，
CF-
x
具有
微孔和介孔。
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
N
2
吸附
-
脱附曲线。
h) DFT
模型和
i) BJH
模型的孔径分布
CF-
x
蒸发器是通过在棉布上浸涂
CF-
x
分散液而制成
，方法简单，例如可以制备
直径为
15 cm
的
CF-600
蒸发器
(
图
3a
)
。通过明胶
-
戊二醛交联网络
，
CF-
600
覆盖棉布表面或填充棉纤维间空隙
(
图
3b
、
c)
。
CF-600
在
0.24 s
内完全湿润
(
图
3d)
，
因此具有理想的润湿性，这与其多孔结构和含氧基团有关。
CF-600
也
具有
不错
的机械
性能
(
图
3e)
。
得益于
分层多孔结构，
CF-600
在
300-2500 nm
具有优异的光吸收
(98%)
。
CF-600
的表面温度在
10 min
内升至
114.7 °C(
图
3g)
，
15 min
时达到
115.2 °C
，表明
CF-600
蒸发器具有
不错
的光热转化
性质
。
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
图
4a
显示了界面太阳能蒸发发电联产示意图。水的质量变化与
辐照
时间呈线性关系
(
图
4b)
。
CF-600
的蒸发率为
3.03 kg m
-2
h
-1
，超过其他蒸发器
。
这归因于
CF-600
出色的光吸收能力和良好的水输送能力。图
4d-f
显示了不同蒸发器的蒸发速率、输出电压和短路电流。
CF-500
、
CF-600
和
CF-700
的开路电压分别为
0.274
、
0.330
和
0.275 V
，明显高于棉布
(0.08 V)
。
CF-500
、
CF-600
和
CF-700
的电流分别为
8.6
、
14.4
和
6.3 μA
，高于棉布
(1.1 μA)
。
CF-600
表现出卓越的性能，主要是由于其相对较高的比表面积，这对水分子的扩散、补充以及离子的收集和传输至关重要。当辐照强度从
1 Sun
增加到
3 Sun
时，
CF-600
的蒸发速率从
3.03 kg
m
-2
h
-1
增加到
5.04 kg
m
-2
h
-1
(
图
4d)
。辐照强度的增加导致
CF-600
热能增加，表面温度升高。当辐照强度从
1 Sun
上升到
2 Sun
和
3 Sun
时，
CF-600
的电压
先
从
0.33 V
上升到
0.35 V
，
再
下降到
0.28 V(
图
4g)
。当辐照强度从
2 Sun
增加到
3 Sun
时，热扩散效应推动水合离子从热部向冷部移动，与推动离子的蒸发效应方向相反。这种反作用减少了电荷收集，阻碍了电压输出。此外，在较高的辐照强度下
(
如
3 Sun)
，蒸发速率会显著增加，导致光热材料表面的水分快速蒸发。这种快速蒸发不利于在蒸发器中及时建立离子浓度梯度，最终导致电压输出下降。在连续
7
个
12
小时的循环中
(9:00-21:00)
，
CF-600
的电压保持在
0.28-0.36 V
，蒸发速率保持在
2.9-3.2 kg
m
-2
h
-1
。
CF-600
的光热转化效率为
99.4%
。与之前的研究相比，
CF-600
表现出更高的性能
(
图
4i)
。
图
4. a) CF
-
x
进行太阳能界面水蒸发和电力联产的示意图。
b)
棉布和
CF-
x
在
1
个太阳光辐照下的水质量随时间的变化和
c)
蒸发速率。
d
)
不同辐照强度下
CF-600
的蒸发速率
。
e) CF
-
x
的开路电压和
f)
短路电流。
g)
不同辐照强度下
CF-600
的开路电压。
h) CF-600
循环
5
小时的蒸发速率和开路电压。
i) CF-600
的开路电压和蒸发率与之前报道的蒸发器的比较
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
-1
K
-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。
为了从分子层面了解
CF-
x
中电压产生
机制
，
我们
进行了分子动力学模拟。在
MD
模拟系统中，
CF-600
、水分子和
3.5 wt%
的
NaCl
溶液均匀分布在模拟单元中
(
图
5g)
。
CF-
x
中的官能团
(C=O
、
C-O
和
COOH)
与
Na
+
的第一个峰的位置小于与
Cl
-
的第一个峰的位置，表明含氧官能团与
Na
+
的相互作用强于与
Cl
-
的相互作用
(
图
5h)
，这是产生双电层的结果。利用均方位移
(MSD)
分析了系统的扩散系数
(
图
5
i
)
。在
20000 ps
模拟期间，
Na
+
(9.8 × 10
-8
cm
2
s
-1
)
的扩散系数大于
Cl
-
(8.7 × 10
-8
cm
2
s
-1
，图
5i)
。由于
Na
+
与
CF
中的含氧官能团具有较强的作用，
Na
+
更容易在层间通道中传输。根据
MD
模拟的结果，
电势
的形成是由于双电层的形成和离子扩散效应。
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
为了
探究
CF-
x
蒸发器在实际淡水生产和发电方面的可行性，
我们
设计了一个室外装置
(
图
6a)
。水蒸气积聚产生的冷凝水滴很快出现
(
图
6b-d)
。最高温度为
38.9 °C
，最高辐照度为
0.69 kW m
-2
(
图
6e)
。
CF-600
的最高
蒸发
速率为
0.77 kg m
-2
h
-1
(
图
6f)
。最大电压达到
0.41 V
，电流为
28 μA(
图
6g)
。此外，将三个
CF-600
蒸发器串联起来，并将所产生的电能储存在电容器中，可以为一个小风扇或微型计算器供电，还可以点亮一个带有
"HUST"
字样的电子屏幕
(
图
6h)
。
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
。
以上研究成果以
All-in-One Carbon Foam Evaporators for Efficient Co-Generation of Freshwater and Electricity
为题发表在期刊
Advanced Functional Materials
(
影响因子为
18.5
，中科院
1
区
Top
期刊
)
上。论文第一作者为华中科技大学化学与化工学院
2023
级硕士研究生
胡桂新
，
龚江
研究员和
牛冉
研究员是共同通讯作者。论文作者还包括硕士研究生刘华健、刘丽洁、佘焱，以及博士研究生刘款款、王慧悦、温雪莹、冯玲玲。该研究得到国家自然科学基金等资助。
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
