基于PBAT塑料废弃物衍生的双金属Co/Fe-MOF高效界面太阳能蒸汽生成材料研究

针对塑料废弃物回收与淡水短缺的双重挑战，研究人员开发出以PBAT塑料为原料的双金属Co/Fe-MOF光热材料，通过界面太阳能蒸发技术实现高效水净化。该材料在单太阳光下蒸发速率达1.81 kg m?2 h?1 ，结合水凝胶基底后提升至3.53 kg m?2 h?1 ，兼具耐盐性与耐久性，为塑料升级回收与清洁水生产提供了创新解决方案。

　　

随着全球能源危机、环境污染与清洁水资源短缺问题日益严峻，如何实现资源的高效循环利用成为科学界关注的焦点。塑料废弃物堆积与淡水匮乏是当前两大突出矛盾：每年数百万吨塑料被填埋或流入海洋，而全球约20亿人面临饮用水短缺。太阳能驱动的界面水蒸发技术（Interfacial Solar Steam Generation, ISSG）因其结合了可再生能源与高效水处理潜力，被视为解决这一困境的理想途径。然而，传统光热材料如贵金属纳米颗粒或碳基材料存在成本高、制备复杂等问题，而新兴的金属有机框架（Metal-Organic Framework, MOF）材料虽具有可调控孔隙结构和功能化优势，但其原料多依赖化工合成，未能与废弃物治理形成闭环。

针对这一挑战，中国研究人员创新性地以生物可降解塑料聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）废弃物为原料，通过水热法合成双金属钴/铁-MOF（Co/Fe-MOF）光热材料。研究发现，这种纳米片结构的材料具有宽光谱吸收（吸收率>90%）与优异的水传输性能，单太阳光下蒸发速率达1.81 kg m^?2
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，显著优于单金属MOF。更突破性的是，团队通过三种基底（纳米纤维膜、气凝胶和水凝胶）构建复合蒸发器，其中水凝胶基蒸发器将蒸发速率提升至3.53 kg m^?2
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，并展现出长达30天的耐盐稳定性。这项工作不仅为塑料废弃物的高值化利用开辟新路径，更为太阳能海水淡化与污水净化提供了兼具经济性与可持续性的解决方案，相关成果发表于《Desalination》。

关键技术方法包括：1）PBAT废弃物水热降解制备对苯二甲酸（H₂
BDC）配体；2）双金属MOF的溶剂热合成与比例优化（Co/Fe=1:1）；3）纳米纤维膜/气凝胶/水凝胶三种基底的制备与MOF负载；4）通过紫外-可见光谱（UV-Vis）和红外热成像评估光热性能；5）模拟海水（3.5 wt% NaCl）与染料废水（罗丹明B）的蒸发净化实验。

结果与讨论

1. 材料设计与合成：通过Co²⁺
   /Fe³⁺
   与PBAT降解产物H₂
   BDC的配位反应，成功制备纳米片状Co/Fe-MOF，其比表面积达680 m²
   /g，孔径分布集中于1.2-2.4 nm。X射线光电子能谱（XPS）证实双金属协同效应降低了材料带隙至1.45 eV，拓宽了光响应范围。

2. 光热性能优化：对比单金属MOF，Co/Fe-MOF（1:1）在808 nm激光照射下表面温度升至78°C，光热转换效率达92%。分子动力学模拟显示双金属节点增强了水分子的吸附-解吸动力学，使蒸发焓降低至1424 kJ/kg（纯水为2440 kJ/kg）。

3. 基底调控机制：水凝胶基底因三维网络结构可实现快速毛细输水（接触角<10°），同时通过聚合物链振动耗散余热，将热局域化效率提升至89%。在5个太阳光强下，蒸发速率仍保持3.21 kg m^?2
   h^?1
   的稳定性。

4. 实际应用验证：户外原型机在自然光照下日均产水量达5.2 L/m²
   ，对海水中Na⁺
   、Mg²⁺
   的截留率>99.9%，并有效降解有机污染物（RhB去除率98.7%）。生命周期评估显示该工艺较传统MOF制备降低碳足迹43%。

结论与展望
该研究通过“塑料废弃物-MOF-太阳能蒸发器”的技术链条，实现了环境治理与清洁水生产的协同增效。双金属Co/Fe-MOF的电子结构调控与多孔基底的热/水管理策略为高性能光热材料设计提供了新思路。未来研究可进一步探索MOF的规模化生产工艺，并拓展其在工业废水处理中的应用。这项工作标志着塑料循环经济与可再生能源技术的交叉融合迈出重要一步，对实现联合国可持续发展目标（SDG 6清洁水与SDG 12负责任消费）具有示范意义。