玉米芯水热碳化多孔材料的制备及其在太阳能热蒸发海水淡化中的应用研究

本研究针对生物质废弃物资源化利用和淡水短缺问题，创新性地采用水热碳化(HTC)结合高温活化技术将玉米芯转化为具有分级孔隙结构的多孔碳材料。通过SEM、BET和TGA等表征手段证实材料具有2.9299 m2/g的比表面积和0.006376 cm3/g的孔容积。太阳能蒸发实验显示碳化材料蒸发速率达4.48 kg/(m2?h)，较原始玉米芯提升134%，为低成本海水淡化提供了新方案。

　　

在全球淡水资源日益紧张的背景下，太阳能驱动的水蒸发技术因其零碳排放特性成为研究热点。传统蒸发材料存在成本高、结构稳定性差等问题，而农业废弃物玉米芯因其独特的蜂窝状结构和丰富孔隙备受关注。然而，如何通过绿色工艺将其转化为高效光热材料仍面临挑战，特别是需要平衡孔隙结构控制与机械性能的关系。

针对这一科学问题，国外研究团队在《Next Research》发表论文，系统研究了玉米芯水热碳化(Hydrothermal Carbonization, HTC)结合高温活化制备多孔碳材料的工艺。通过200°C/4h水热处理和600°C/2h氩气活化，成功制备出具有分级孔隙的碳材料。研究发现该材料在太阳能海水淡化中表现优异，蒸发速率达4.48 kg/(m²?h)，较原始材料提升2.3倍，同时揭示了水热过程对材料机械性能的影响规律。

研究采用多项关键技术：水热反应釜(XHTC400-V50G)进行HTC处理；管式炉(OTF-1200X-S)完成碳化；扫描电镜(JEOL JSM-6360)观察微观形貌；热重分析仪(TGA50)测定热稳定性；比表面积分析仪(3Flex)表征孔隙结构；实际太阳光条件下测试蒸发性能；Instron 3369系统进行力学测试。实验使用美国南加州Salton Sea海水样本。

【材料与表征】
SEM显示碳化玉米芯保留30-50μm蜂窝结构，细胞壁分布纳米级孔隙。EDX分析表明材料含碳量达83.23 wt%。BET测试揭示材料具有2.9299 m²/g比表面积，孔径分布显示以1.176-1.899nm微孔为主，兼具2.048-2.263nm介孔。

【热性能分析】
TGA显示不同升温速率(10°C/min和30°C/min)显著影响碳产率，分别为70%和47%。DTG曲线在100°C出现水分蒸发峰，300°C以上出现多糖分解宽峰，证实材料热稳定性与加热速率密切相关。

【蒸发性能】
自然光照测试中，碳化材料蒸发速率达4.48 kg/(m²?h)，较原始玉米芯(1.91 kg/(m²?h))显著提升。分析认为分级孔隙结构既促进毛细输水又限制热量散失，是性能提升的关键。

【力学性能】
压缩测试显示水热处理使抗压强度从950kPa降至245kPa；扭转试验表明剪切模量从26kPa降至7.5kPa。这种力学性能下降反而有利于后续纤维化处理，增加蒸发接触面积。

该研究证实水热碳化可有效转化玉米芯为高性能太阳能蒸发材料，其分级孔隙结构实现"输水-吸光-隔热"协同优化。相比传统多步碳化工艺，本研究采用的温和HTC路线更节能环保。特别值得注意的是，材料在真实海水环境中表现出色，且原料成本低廉，每吨玉米芯废弃物处理成本较商业碳材料降低90%以上。机械性能的定量分析为后续器件设计提供重要参数，而蒸发速率作为新评价指标，比传统光热转换效率更能反映实际应用价值。这些发现为农业废弃物高值化利用和可持续水处理技术开发提供了新思路。