水资源短缺，特别是淡水资源，是一个亟需解决的世界性问题。预计到2050年，全球将有50亿人面临水资源短缺的问题。海水淡化和污水净化被认为是解决水资源短缺的两个重要途径。由于太阳能具有可再生、取之不尽以及绿色清洁的特点，基于太阳能动力从海水和污水中生产干净水的技术吸引着广大研究者的注意。在过去几年中，直接将太阳能转化为热能的光驱动界面蒸发因其易于获取和高效的特性在水净化、海水淡化领域取得显著的进展。三维多孔的光吸收材料被认为是太阳能驱动界面蒸发器的一种理想光热转换层，因其具有高光吸收率和光热转换效率，并且丰富的孔结构可以让水蒸气快速逃逸。多种技术炭化、阳极氧化、静电植绒以及溶剂浇筑等曾被研究用于制备三维多孔光吸收材料，并取得了较好的界面蒸发效果，但在经济性和制备工艺上仍有进步的空间。
在本研究中，我们立足于合理利用农林废弃物特性用于功能转化的理念，报导了一种低成本、稳定和易于扩大生产的具有光热效应的聚吡咯改性脱木素的咖啡渣(PPy@D-SCG)，并探索了其在海水淡化和污水净化领域的应用。速溶咖啡工业的废弃咖啡渣，经过脱木素处理得到孔结构高度有序且呈蜂窝状的白色咖啡渣，通过在其表面修饰聚吡咯纳米颗粒，得到了具有光热效应的多孔咖啡渣复合材料。将其作为光吸收剂应用在太阳能驱动界面蒸发海水淡化，表现出优异的光热转化性能。此外，脱木素咖啡渣可通过溶胀-研磨工艺批量制备微纳米级咖啡渣颗粒，经聚吡咯修饰后，可聚乳酸复合制备3D打印线材，并借助3D打印机成型三维光热器件，在海水淡化(海水蒸发速率可达到1.81 kg m2 h-1)和污水净化(重金属离子和可溶性有机染料的去除率均高达99.9%)中具有一定的潜在应用价值。
该工作以“Large-scale production of spent coffee ground-based photothermal materials for high-efficiency solar-driven interfacial evaporation”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室石聪灿博士为论文第一作者，田君飞教授为论文通讯作者。
图1. (a) 原始咖啡渣(SCG)经过脱木素和聚吡咯颗粒原位生长制备聚吡咯改性脱木素咖啡渣的示意图；(b) 吡咯在过硫酸铵氧化下聚合生成聚吡咯的反应方程式；(c) 实验室制备3 kg聚吡咯改性脱木素咖啡渣的照片；(d) 利用聚吡咯改性脱木素咖啡渣组成太阳能蒸发器的示意图。
图2. 咖啡渣不同改性过程的宏观照片和微观结构扫描电镜图：(a) 原始咖啡渣，(b) 脱木素咖啡渣和 (c) 聚吡咯改性咖啡渣；(d) 聚吡咯改性咖啡渣的元素分布图，从左至右依次是碳、氧和氮元素。
图3. (a) 咖啡渣以及不同类型的PPy@D-SCG对不同波长的光的吸收曲线；(b) PPy@D-SCG作为光吸收层进行太阳能蒸发产生水蒸气的示意图；(c) 红外热成像仪记录不同类型的PPy@D-SCG在1个太阳光照下表面温度随光照时间变化；(d) 在1次太阳照射下，不同类型的PPy@D-SCG表面温度随光照时间变化的曲线图；(e) 不同类型的PPy@D-SCG在1个太阳光照下水蒸发曲线图；(f) 面密度分别为200 g m-2、300 g m-2和400 g m-2的PPy@D-SCG2的水蒸发速率曲线图；(g) 1个阳光照射下， PPy@D-SCG2与自然条件下的海水蒸发速率曲线图；(h) 海水蒸发前后中的K+，Na+，Ca2+和Mg2+离子浓度变化；(i) PPy@D-SCG2的海蒸发速率随循环使用次数的变化曲线。
图4. (a) 聚吡咯改性的微米脱木素咖啡渣 (PPy@MD-SCG)；(b) PPy@MD-SCG与聚乳酸形成复合线材的照片及横截面的扫描电镜图；(c) 借助3D打印机，以PPy@MD-SCG与聚乳酸复合线材为原料打印的3D太阳能蒸发器；(d) 3D太阳能蒸发器的组件以及其应用于海水淡化的原理图；(e) 在1个太阳照度下，3D太阳能蒸发器表面的温度随光照时间变化的曲线图；(f) 在1个太阳照度下，3D太阳能蒸发器的水蒸发速率曲线图；(g) 在1个阳光照射下，3D太阳能蒸发器的海水蒸发速率曲线图；(h) 海水经过3D太阳能蒸发器蒸发前后的K+，Na+，Ca2+和Mg2+离子浓度变化；(i) 含有有机染料或重金属离子的废水经过3D太阳能蒸发器蒸发前后颜色变化；(j) 有机染料和重金属离子的去除率；(k) 在1个太阳照度下，3D太阳能蒸发器对含有有机染料或重金属离子废水的水蒸发速率曲线图；(l) 在1个太阳照度下，3D太阳能蒸发器对各种废水进行蒸发时，表面的温度随光照时间变化的曲线图；(m) 将3D太阳能蒸发器模拟污水净化的装置图；(n) 3D太阳能蒸发器模拟污水净化时，不同时间段收集的洁净水的质量曲线图。