华中科大龚江研究员课题组在MOF可控碳化制备海胆状多孔碳并应用于光热海水淡化取得新进展
淡水资源短缺和能源危机是威胁全球可持续发展的两大因素，在最近几十年里，人们致力于开发清洁高效的淡水生产技术。其中，界面太阳能蒸发产水技术，因其操作简便、清洁无污染、能量利用率高等特点，受到广泛的研究和关注。光热材料作为太阳能蒸发器的重要组成部分，起着光吸收和热转换的作用。碳基材料由于太阳光全谱吸收、稳定性好、结构种类多样等优点，成为研究最多的光热材料之一。
金属-有机框架（Metal-Organic Frameworks），简称MOFs，是由有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料。MOFs在气体吸附、气体储存、气体分离、催化剂等领域有着广泛应用。近年来，利用MOFs热解法制备的结构独特的碳基材料，在能量转化与储存等领域有着广泛研究。然而，目前鲜少有工作将MOFs衍生的碳材料应用于光热蒸发产水。在已报道工作中，将MOFs衍生的碳材料用于光热海水淡化，蒸发性能在一个太阳光强下低于1.5 kg m-2 h?1。另一方面，天然木材具有丰富的亲水微通道，通过毛细力快速输送水分，并且与水形成氢键以降低水蒸发焓，提高蒸发速率。目前，利用木材制备太阳能蒸发器已取得了很大进展，但仍存在制备过程复杂或不能精确控制表面碳层结构的问题。
图1 金属-有机框架材料可控碳化制备海胆状多孔碳材料并用于光热海水淡化
在最近的工作中（Chemical Engineering Journal 423 (2021) 130268，影响因子 13.273），他们首次利用金属-有机框架材料Ni-MOF热解制备海胆状多孔碳材料SUC，并涂覆于木头表面组成复合蒸发器（图1），展现出优异的界面光热海水蒸发性能。在不同的碳化温度下，Ni-MOF衍生的碳材料SUC具有不同的形貌（图2），随着碳化温度从500 °C升高到800 °C，海胆的次级结构逐渐从微米棒转变为碳纳米管，并且碳管顶端包裹有金属纳米颗粒。全部由碳管组成的SUC-700，表现出丰富的孔结构（主要在微孔0.9 nm，介孔3.2 nm和9.3 nm）和较高的比表面积（235.2 m2 g-1），有利于光吸收和水传输。
图2（a）金属-有机框架材料Ni-MOF及其不同碳化温度制备的材料（b）SUC-500,（c）SUC-600,（d）SUC-700,（e）SUC-800的形貌示意图和SEM图
本工作中的海胆状碳材料具有较高的比表面积、丰富的亲水含氮和含氧基团，能起到很好的光吸收和热转换作用。另一方面，木头具有丰富的微孔通道和亲水官能团，能够快速传输水分子并降低水的蒸发焓，从而提高水蒸发速率。将海胆状碳材料和自漂浮木头相结合，组成复合蒸发器，并展现出优异的界面光热水蒸发性能（图3）。比如，在1个太阳光强下，SUC-700@W蒸发器的产水速率达到2.07 kg m-2 h-1，能量转化效率为91.5%，盐去除率高于99.9%。与此同时，对于生活废水、湖水、染料污水等都有很好的分离纯化效果，达到了饮用水的标准。重复使用10次后，产水速率仍然保持在2.07 kg m-2 h-1左右。
图3 海胆状多孔碳SUC-700涂覆于木头并用于光热海水淡化
图4 海胆状多孔碳SUC-700涂覆于木头并用于实际光热海水淡化
为测试复合蒸发器在实际中的产水性能，他们进行了光热现场测试（图4）。将放大制备的SUC-700@W放置在自制的蒸发装置内，不久便明显观察到蒸馏水。该天中，最大光强和最高温度分别为0.36 kW m-2和24 °C，最高产水速率和累积产水量分别为0.48 kg m-2 h-1和2.74 kg m-2，将其按照1平米的放大则满足一个成年人一天的需水量。SUC-700@W蒸发器制备简单、易于放大，在实际应用中潜在的应用价值。
以上研究成果以Controllable synthesis of sea urchin-like carbon from metal-organic frameworks for advanced solar vapor generators为题发表在期刊Chemical Engineering Journal上。该工作的第一作者是华中科技大学化学与化工学院2020级硕士研究生何攀攀，牛冉研究员和龚江研究员是共同通讯作者。论文作者还包括华中科技大学的博士研究生郝亮、硕士研究生刘宁和白慧颖。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721018556
课题组链接：http://www.polymer.cn/ss/gongjiang_hust/index.html
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