世界杯看完了，吃剩的毛豆荚怎么处理？

世界杯终于结束了，法国队最终捧起了大力神杯。熬夜看球，怎么能少了毛豆这一小菜呢。不过毛豆是吃了，剩下的豆荚你是怎么处理的呢？别小看了它们，或许它们还能拯救世界呢。哦，拯救世界可能有点夸大，但是，用它们来淡化海水，也许是可能的。

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我们知道，地球其实是一个“大水缸”，在我们生存的这颗蔚蓝星球上，有百分之七十以上被海水所覆盖。然而，淡水资源却仅占大约近3%，陆地淡水只占总水量的2.53%，其中冰川占陆地淡水的68.69%。也就是说，在这个地球“大水缸”里，我们可以饮用的水，其实只有一汤匙。

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目前在国际上，水已成为世界性的紧缺物资。在我国，人均水资源占有量仅为世界水平的1/4，全国有一半城市都存在不同程度的缺水现象。

水资源如此紧缺，如果能把那百分之七十的海水利用起来，进行脱盐处理，转化成我们可以饮用的淡水，那不就可以大大缓解某些地区淡水资源紧缺、饮水不卫生等关键问题了吗？

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其实，科学家在淡化海水领域早已进行了很多研究和尝试，目前常用的脱盐方法包括反渗透、热蒸发、电渗析和电容去离子等。

其中，电容去离子（CDI）技术不会造成二次污染，同时低能耗、低投资、低运行成本，还可利用可再生能源如太阳能、风能等进行驱动，无疑是一种海水/苦咸水脱盐获取淡水资源的理想技术。

CDI技术的工作原理是：利用在电极材料表面形成的双电层，来吸附水中带电荷离子（例如Na⁺和Cl^-），从而达到盐水淡化的目的。不过，当前广泛使用的高效碳基CDI电极材料，需要通过石墨烯和碳纳米管等这些传统化石燃料衍生物来制备，这无疑提高了CDI技术大规模生产应用的成本。

如何解决这问题呢？科学家想到了生物质能源。好的，到这儿，就说到我们今天的主角——豆荚了。豆荚就是一种丰富、廉价、可再生的、含天然氮元素的生物质。所以在制备碳材料的同时，也原位引入了吡啶氮、吡咯氮和石墨氮，这将大大提高所得碳材料的电化学性能。

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那么，豆荚就能直接用来当电极材料吗？没这么简单，还需要进行“深加工”。日前，中科院合肥研究院固体物理研究所的科研人员就以豆荚作为原料，制备出一种具有多级开放孔结构的“氮掺杂碳材料”（N-doped Porous Carbon, NPC）（如图1）。

 

然后，将这个NPC材料处理附加上磺酸官能团，制成磺酸功能化的多孔碳材料（S-NPC），而这个S-NPC材料的表面带着丰富的负电荷。

图1 生物质衍生碳材料NPC的形貌和结构表征

 

还记得CDI技术的原理么？需要有正负两级双电层，来吸附水中带电荷离子，从而达到盐水淡化的目的。而以豆荚深加工制备出来的S-NPC材料，就是CDI装置中的负极，再加上表面带有正电荷的氨化的活性碳（A-AC），就组装成一个CDI装置，这时候就可以进行脱盐实验，也就是淡化海水的过程了。下面就是CDI装置淡化海水的机理示意图（如图2）。

图2 CDI离子去除机理

 

而研究结果表明，以豆荚为原料衍生出的碳材料作为CDI电极材料，具有很好的应用前景（如图3）。

图3 生物质衍生碳材料的电容去离子性能测试

 

同时，由于NPC材料实现了原位异原子（如氮）的掺杂，其展示出优异的氧还原反应性能，以其作为阴极催化剂构建的金属锌-空气电池输出电压可达1.28V。基于此，将金属锌-空气电池与CDI体系有机整合，利用锌-空气电池供电实现了高效CDI脱盐应用。

也就是说，在不久的将来，我们不需要再用其他电源，用这个整合以后的海水淡化装置，就能直接进行海水的脱盐处理（如图4）。这项研究工作为将来能源整合的CDI脱盐技术的实际应用提供了重要的理论依据。

 图4 锌-空气电池装置示意图及其性能测试

 

在科研人员多方面努力实验和创新的思考下，基于生物质衍生碳材料的锌-空气电池自供电脱盐的概念得以实现，同时也证明了其在实验室操作条件下的可行性。希望经过科研人员今后的探索研究，使其真正走进实际生产中，为人类造福！

来源：中国科学院合肥物质科学研究院