废弃聚酰亚胺衍生多孔碳纳米纤维实现全天候淡水-水电联产：机制探索与性能优化

为解决全球淡水资源短缺和能源危机问题，研究人员通过热解废弃聚酰亚胺衍生的Ba-BTEC MOF，构建了兼具太阳能驱动界面蒸发和蒸发诱导发电的双功能多孔碳纤维(PCF)装置。该装置在1 kW m-2光照下实现2.93 kg m-2 h-1的蒸发速率和0.32 V开路电压，分子动力学模拟揭示了Na+在纳米孔道中的选择性迁移机制，为低成本全天候水电联供提供了新策略。

　　

全球正面临淡水资源枯竭与能源危机的双重挑战，传统太阳能驱动界面蒸发技术受天气条件限制且能量利用率低，而自然蒸发蕴含的巨量能量长期未被有效利用。如何开发全天候工作的水电联产系统，成为解决资源短缺问题的关键突破口。近期发表在《Green Energy》的研究通过创新性回收策略，将废弃聚酰亚胺转化为高性能能源材料，实现了"变废为宝"的突破性进展。

研究团队采用MOF辅助碳化技术路线：首先通过溶剂热法将废弃聚酰亚胺水解为H₄BTEC配体并与Ba²⁺配位合成Ba-BTEC；随后在600-800°C热解获得多孔碳纤维(PCF)；最后通过凝胶固定法制备蒸发/发电一体化器件。关键技术包括N₂吸附测试分析孔隙结构、分子动力学(MD)模拟离子迁移机制、COMSOL模拟热场分布等。

【3.1 形貌与结构】扫描电镜显示PCF-700保留40-150 nm纤维形态，TEM证实其具有0.34 nm石墨层间距的微/介孔结构。元素映射显示C、O均匀分布，XRD证实热解后形成石墨化碳。

【3.2 孔结构与化学组成】BET测试表明PCF-600具有951 m² g^-1超高比表面积，孔径集中在1.3/5 nm。XPS显示PCF-600含66.7% C-C键和最高氧含量(33.3%)，拉曼光谱(I_G/I_D=0.47)证实其适度石墨化程度。

【3.3 光热转化性能】接触角测试显示PCF-600在0.15秒内完全润湿，UV-Vis-NIR吸收率达92%。红外热成像显示其表面温度15分钟内升至84.2°C，显著高于棉布(39°C)。

【3.4 蒸发性能】在1 Sun照射下，PCF-600蒸发速率达2.93 kg m^-2 h^-1，户外日均产水量7.11 kg m^-2可满足3人需求。DSC和拉曼光谱证实其蒸发焓降至1.20 kJ g^-1，归因于中间水(IW)比例提升至96%。

【3.6 发电性能】基于电双层理论(EDLs)，PCF-600器件产生0.32 V开路电压和6.33 μA短路电流，3个串联器件可点亮LED。Zeta电位(-12.74 mV)证实其高表面电荷密度。

【3.6 机制研究】MD模拟显示Na⁺与羧基的径向分布函数(RDF)峰值比Cl^-更近(2.3 vs 3.1 ?)，自扩散系数(4.3×10^-11 m² s^-1)为Cl^-的1.2倍，证实氧官能团驱动的离子选择性传输是发电核心机制。

该研究开创性地通过废弃物升级再造策略，解决了传统碳材料制备成本高、工艺复杂的问题。PCF器件将太阳能利用效率与蒸发能量捕获相结合，其2.93 kg m^-2 h^-1的蒸发性能优于多数报道的CNT/石墨烯基材料。分子层面揭示的Na⁺选择性迁移机制，为设计高性能纳米流体发电机提供了理论依据。这种"一材双效"的设计理念，不仅推动废弃高分子资源化利用，更为偏远地区水电联供系统开发提供了可规模化应用的解决方案。