研究背景
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巨量的废弃塑料，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，将废弃塑料作为资源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，称为当今科技研究热点之一（Progress in Polymer Science 2019, 94, 1; Chem 2021, 7, 1487; Nature Catalysis 2020, 3, 902; Nature 2020, 577, 647）。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清洁水生产的高效且可持续发展的新技术（Nature Energy 2018, 3, 1031），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。
华中科大龚江/中科院长春应化所唐涛团队采用 ZnO 作为催化剂，精确调控废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的降解与交联反应，制备出具有高比表面积的多孔碳（图1和图2），经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。
图 1. 利用废弃聚酯制备的多孔碳涂覆于木头表面构筑双层太阳能蒸发器用于海水淡化。
研究表明，ZnO催化剂的Lewis酸位点可以促进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。这些降解产物通过交联或者分子间聚合可以形成碳材料的骨架，有利于形成丰富的微孔结构（0.4~2 nm）。与此同时，ZnO还起到了物理模板的作用，促进生成大量的介孔（2~50 nm）和大孔（50~100 nm）结构。通过调控ZnO与PET比例使废弃聚酯可控碳化制备的碳材料具有丰富的多级纳米孔结构，比表面积高达1164 m2 g-1，有利于光吸收和水传输。另一方面，木头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。多孔碳涂覆于木头上构筑的双层太阳能蒸发器，不仅具有木材内部天然的微孔通道有利于水分快速输送的特性，还兼具多孔碳材料内部丰富的纳米通道有益于水团簇的形成，进而降低水的蒸发焓（图3）。
由于这些特点，双层太阳能界面蒸发器在1个太阳辐照度下具有较高的海水淡化蒸发速率 (2.38 kg m-2 h-1)（图4）。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。此外，为测试双层太阳能蒸发器在实际应用中的产水性能，进行了光热现场测试（图5）。将放大版的双层太阳能蒸发器置于自制的蒸发装置内，太阳光照射10 min后便能明显的观察到水珠。实验当天的单位面积日淡水产量（3.65 kg m-2）满足一个成人一天的饮水量。
图 4. 双层太阳能界面蒸发器用于海水淡化：(a) 蒸发速率曲线图；(b) 暗室挥发结果比较。
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