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  淡水資源短缺和能源危機是威脅全球可持續(xù)發(fā)展的兩大因素，在最近幾十年里，人們致力于開發(fā)清潔高效的淡水生產(chǎn)技術。其中，界面太陽能蒸發(fā)產(chǎn)水技術，因其操作簡便、清潔無污染、能量利用率高等特點，受到廣泛的研究和關注。光熱材料作為太陽能蒸發(fā)器的重要組成部分，起著光吸收和熱轉(zhuǎn)換的作用。碳基材料由于太陽光全譜吸收、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)種類多樣等優(yōu)點，成為研究最多的光熱材料之一。

  金屬-有機框架（Metal-Organic Frameworks），簡稱MOFs，是由有機配體和金屬離子或團簇通過配位鍵自組裝形成的具有分子內(nèi)孔隙的有機-無機雜化材料。MOFs在氣體吸附、氣體儲存、氣體分離、催化劑等領域有著廣泛應用。近年來，利用MOFs熱解法制備的結(jié)構(gòu)獨特的碳基材料，在能量轉(zhuǎn)化與儲存等領域有著廣泛研究。然而，目前鮮少有工作將MOFs衍生的碳材料應用于光熱蒸發(fā)產(chǎn)水。在已報道工作中，將MOFs衍生的碳材料用于光熱海水淡化，蒸發(fā)性能在一個太陽光強下低于1.5 kg m^-2 h^?1。另一方面，天然木材具有豐富的親水微通道，通過毛細力快速輸送水分，并且與水形成氫鍵以降低水蒸發(fā)焓，提高蒸發(fā)速率。目前，利用木材制備太陽能蒸發(fā)器已取得了很大進展，但仍存在制備過程復雜或不能精確控制表面碳層結(jié)構(gòu)的問題。

圖1 金屬-有機框架材料可控碳化制備海膽狀多孔碳材料并用于光熱海水淡化

  在最近的工作中（Chemical Engineering Journal 423 (2021) 130268，影響因子 13.273），他們首次利用金屬-有機框架材料Ni-MOF熱解制備海膽狀多孔碳材料SUC，并涂覆于木頭表面組成復合蒸發(fā)器（圖1），展現(xiàn)出優(yōu)異的界面光熱海水蒸發(fā)性能。在不同的碳化溫度下，Ni-MOF衍生的碳材料SUC具有不同的形貌（圖2），隨著碳化溫度從500 °C升高到800 °C，海膽的次級結(jié)構(gòu)逐漸從微米棒轉(zhuǎn)變?yōu)樘技{米管，并且碳管頂端包裹有金屬納米顆粒。全部由碳管組成的SUC-700，表現(xiàn)出豐富的孔結(jié)構(gòu)（主要在微孔0.9 nm，介孔3.2 nm和9.3 nm）和較高的比表面積（235.2 m² g^-1），有利于光吸收和水傳輸。

圖2（a）金屬-有機框架材料Ni-MOF及其不同碳化溫度制備的材料（b）SUC-500,（c）SUC-600,（d）SUC-700,（e）SUC-800的形貌示意圖和SEM圖

  本工作中的海膽狀碳材料具有較高的比表面積、豐富的親水含氮和含氧基團，能起到很好的光吸收和熱轉(zhuǎn)換作用。另一方面，木頭具有豐富的微孔通道和親水官能團，能夠快速傳輸水分子并降低水的蒸發(fā)焓，從而提高水蒸發(fā)速率。將海膽狀碳材料和自漂浮木頭相結(jié)合，組成復合蒸發(fā)器，并展現(xiàn)出優(yōu)異的界面光熱水蒸發(fā)性能（圖3）。比如，在1個太陽光強下，SUC-700@W蒸發(fā)器的產(chǎn)水速率達到2.07 kg m^-2 h^-1，能量轉(zhuǎn)化效率為91.5%，鹽去除率高于99.9%。與此同時，對于生活廢水、湖水、染料污水等都有很好的分離純化效果，達到了飲用水的標準。重復使用10次后，產(chǎn)水速率仍然保持在2.07 kg m^-2 h^-1左右。

圖3 海膽狀多孔碳SUC-700涂覆于木頭并用于光熱海水淡化

圖4 海膽狀多孔碳SUC-700涂覆于木頭并用于實際光熱海水淡化

  為測試復合蒸發(fā)器在實際中的產(chǎn)水性能，他們進行了光熱現(xiàn)場測試（圖4）。將放大制備的SUC-700@W放置在自制的蒸發(fā)裝置內(nèi)，不久便明顯觀察到蒸餾水。該天中，最大光強和最高溫度分別為0.36 kW m^-2和24 °C，最高產(chǎn)水速率和累積產(chǎn)水量分別為0.48 kg m-2 h-1和2.74 kg m^-2，將其按照1平米的放大則滿足一個成年人一天的需水量。SUC-700@W蒸發(fā)器制備簡單、易于放大，在實際應用中潛在的應用價值。

  以上研究成果以Controllable synthesis of sea urchin-like carbon from metal-organic frameworks for advanced solar vapor generators為題發(fā)表在期刊Chemical Engineering Journal上。該工作的第一作者是華中科技大學化學與化工學院2020級碩士研究生何攀攀，牛冉研究員和龔江研究員是共同通訊作者。論文作者還包括華中科技大學的博士研究生郝亮、碩士研究生劉寧和白慧穎。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721018556

  課題組鏈接：http://www.714744.com/ss/gongjiang_hust/index.html