背景介绍

21世纪全球淡水资源短缺与能源危机日益加剧，亟需开发高效可持续的解决方案。基于太阳能的界面蒸发技术因其在海水淡化领域的应用潜力而备受关注，但太阳辐射的间歇性特征造成蒸发器的夜间空转。在此背景下，研究者提出将界面光热蒸发与水蒸发发电技术集成的双功能系统，同步实现日间淡水生产与全天候发电，提升能量的利用效率。碳基材料因其宽光谱吸收、丰富纳米通道和表面官能团及低导热系数，成为该领域的研究热点。然而，当前光热蒸发-水蒸发发电结合技术仍处于起步阶段，碳材料微观结构(例如含氧官能团、孔径、比表面积)对系统性能的影响机制尚未明晰，且传统碳材料制备工艺复杂、成本高昂，严重制约实际应用。另一方面，将废塑料转化为金属-有机框架(MOF)材料，不仅为废塑料的升级化学回收提供新策略，还为制备低成本的MOF材料及其衍生材料提供新方法。例如，MOF具有结构可调、组成多样等特性，因而将MOF碳化则为制备结构可控的碳材料提供了新思路。通过调控MOF前驱体的拓扑结构，经可控热解即可获得孔结构可调的多孔碳材料。聚酰亚胺废料衍生的1,2,4,5-苯四甲酸(H₄BTEC)配体，具有四齿配位特性，能够构建更稳定的MOF网络结构，经碳化后可形成高比表面积多孔碳。这一策略在提升性能的同时实现固废资源化，具有显著创新性，但目前尚未被研究。

成果介绍

近日，华中科技大学龚江研究员通过热解源于废弃聚酰亚胺的钡基金属-有机框架材料（Ba-BTEC），制备了一种基于多孔碳纤维状（Porous Carbon Fiber，PCF）的全天候双功能蒸发器（图1）。基于PCF的蒸发器/装置，在1 kW m^-2的光照下，在海水中表现出2.93 kg m^-2 h^-1的蒸发速率，以及0.32 V的开路电压。此外，分子动力学模拟结果表明，由于含氧官能团与水分子的强亲和力，Na⁺倾向于在PCF的纳米孔通道内快速迁移，对于流动电势的产生具有关键作用

图文解读

采用SEM和TEM研究Ba-BTEC和PCF-x的微观结构。如图2a所示，Ba-BTEC的平均直径为40 nm。碳化后，Ba-BTEC的原始纤维形态在PCF-x中得到了较好的保留（图2b-2d）。具体而言，PCF-600呈现出细小的纤维形貌。随着热解温度的升高，PCF-700的纤维形态变粗，这是由于碳化过程中孔隙结构的坍塌所致。而PCF-800则表现出更多的片状结构。HRTEM图像揭示了PCF-700表面无序的孔结构和不连续的石墨薄片，其晶格条纹间距为0.34 nm（图2e和2f）。此外，EDX谱图（图2g-2j）表明，C和O元素均匀分布在PCF-700表面。上述结果表明，无序的纤维结构形成了不规则的分级多孔结构，这种结构不仅有利于光的散射和吸收，还能促进蒸发过程中水蒸汽的逸出。

采用XPS对Ba-BTEC及其衍生PCF-x的化学状态及元素组成进行了分析。如图3a所示，XPS全谱图表明Ba-BTEC主要由C（58.3%），O （34.2%）和Ba（7.5%）元素组成。经过高温碳化处理的PCF-x主要元素组分为C和O，且碳含量显著升高，表明热解过程有效清除了金属组分并实现了碳基骨架重构。PCF-x的高分辨率C 1s谱图在284.8 eV，286.1 eV和289.6 eV处拟合为三个峰，分别对应于C-C，C-O和C=O（图3b）。高分辨的O 1s谱图（图3c）可以拟合为两个峰，分别归属于C-O（532.1 eV）和C=O（533.5 eV）。随着碳化温度从600 °C升高到800 °C，C-C键的相对含量从66.7%降低至60.9%（图3d），这可能与高温碳化过程中的碳骨架缺陷增加相关。此外，PCF-600的氧元素含量为10.5%，高于PCF-700（8.6%）和PCF-800（6.5%），表明其表面富含羟基和羧基等极性官能团，有利于构筑氢键网络促进水分子的传输。

优异的光热转换材料需兼具宽太阳光谱捕获能力和良好的亲水性。首先，高效的光吸收能力是光热转换的前提，UV-Vis-NIR光谱展示了不同样品的吸光度。PCF-600蒸发器在200~2500 nm光谱范围内的光吸收率为92%，高于棉布，表明PCF-600蒸发器能够实现高效的光捕获和宽带太阳能光吸收（图4a）。通过记录蒸发器表面温度变化来评估各个蒸发器的光热转换能力。如图4b所示，1 kW m^-2光照下，PCF-600蒸发器表面温度在15 min时达到84.2 °C，高于相同条件下棉布的稳态温度（39 °C）。关闭光源后，蒸发器的表面温度逐渐降低。此外，棉布和PCF-600蒸发器的红外热成像图显示PCF-600蒸发器表面温度在5 min内迅速升高至82.1 °C（图4c和d），而棉布的温度仅为38.7 °C。随着辐射时间的延长，PCF-600蒸发器表面温度趋于稳定，表现出快速的光热响应特性。

接着采用图5a的装置进行水蒸发实验。PCF-x蒸发器的水蒸发速率显著优于不使用蒸发器时的水蒸发速率 （0.95 kg m^-2 h^-1），使用棉布蒸发器时的水蒸发速（1.19 kg m^-2 h^-1）和使用Ba-BTEC蒸发器时的水蒸发速率（1.30 kg m^-2 h^-1）（图5b和c）。在PCF-x系列蒸发器中，PCF-600蒸发器的水蒸发速率为2.93 kg m^-2 h^-1，优于PCF-700蒸发器（2.67 kg m^-2 h^-1）和PCF-800蒸发器（2.63 kg m^-2 h^-1）。此外，如图5d所示，PCF-600蒸发器的表面温度为331 K。此外，PCF-600的低导热系数（0.083 W m^-1 K^-1）显著降低了热量的散失，使得光热转换产生的热量能够被有效限制在水-空气界面区域。

基于PCF-x蒸发器的蒸发诱导发电的测试装置如图6a中所示。当海水在毛细作用与蒸发驱动下扩散至上电极时，器件两个电极间达到稳定状态后便产生持续稳定的开路电压（V_oc）与短路电流 （I_sc）。如图6b所示，PCF-600在闭环电路形成后在1 s内V_oc迅速攀升至0.32 V并保持稳定，显著优于棉布（0.01 V）和Ba-BTEC（0.05 V）。对比PCF-x系列材料，PCF-700与PCF-800的V_oc分别为0.16 V和0.15 V。电流测试表明，PCF-600的 I_sc 达到6.33 μA，明显高于棉布（0.15 μA）、Ba-BTEC（1.13 μA）及PCF-700（1.55 μA）较PCF-800（6.10 μA）降低了（图6c）。PCF-600 器件的产水和产电性能优于许多已报道的材料器件(图6d)。将 PCF-600 产生的电储存在电容器中可以用来点亮商用LED灯和小风扇（图6e和f）。

采用分子动力学模拟（MD）研究PCF材料中高流动电势的形成机制，本文构建了3.5 wt%的NaCl溶液+PCF的分子模型单元（图7a）。通过径向距离分布函数（RDF）分析发现，与Cl^--H₂O相比，Na⁺-H₂O的RDF峰最先出现（图7b），证实Na⁺和H₂O之间存在更强的溶剂化效应，Na⁺比Cl^-更容易随水迁移。此外，在3.5 wt% NaCl+PCF体系中，进一步分析了Na⁺和Cl^-与官能团之间的相互作用。具体而言，如图7c所示，C-O-Na⁺和COOH-Na⁺的第一RDF峰分别在0.25 nm和0.26 nm相继出现，而COOH-Na⁺的RDF峰仅出现在更远的距离处（0.31 nm）。这一结果表明相比于Cl^-，Na⁺与PCF中含氧官能团的相互作用力更强。由于PCF中含氧官能团的强作用力场，Na⁺在水蒸发驱动下更容易在纳米通道中迁移。因此，在PCF体系中，Na⁺具有较高的自扩散系数，自扩散系数为4.3×10-11 m² s-1，较本体水提升了42%，且是Cl^-的1.2倍（图7d）。因此，Na⁺在水和表面含氧官能团的共同吸引下比Cl^-更自如地定向迁移，最终实现离子的非对称传输和流动电势的产生。

总结与展望

本项工作以废弃聚酰亚胺为原料，通过一步溶剂热法制备了Ba-BTEC，经可控热解得到具有分层多孔结构的PCF。基于PCF构建了兼具界面太阳能驱动蒸汽产生和水蒸发发电的双功能蒸发器，并揭示了碳材料微观结构诱导水蒸发发电的机制。PCF蒸发器具有快速光热响应能力、优异的亲水性和低导热系数。在1 kW m^-2的太阳光照射下能够实现2.93 kg m^-2 h^-1的蒸发速率和98%的光热转换效率。PCF具有合适的孔隙、高表面电荷和丰富的含氧官能团。基于PCF的发电器件在海水中能够产生0.32 V开路电压和6.33 μA短路电流。储存在电容器中的电能够驱动3 V的LED灯和1.5 V的小风扇。分子动力学模拟揭示了PCF表面官能团与Na⁺和Cl^-的差异化相互作用可实现离子筛分，其中PCF纳米孔道内Na⁺的定向选择性传输是流动电势形成的关键因素。该工作不仅为废弃聚酰亚胺的绿色高附加值回收提供了新途径，而且以绿色方式构建了淡水-水电联产的全天候装置，提高整体能量利用率，为碳中和背景下水-能协同供给体系的开发提供了新思路。

原文信息

本文以"Converting waste polyimide into porous carbon nanofiber for all-weather freshwater and hydroelectricity generation"为题发表在Green Energy & Environment 期刊，第一作者为华中科技大学硕士研究生刘丽洁，通讯作者为华中科技大学龚江研究员。