北京林業(yè)大學(xué)/武漢大學(xué)合作《自然·通訊》：新型木質(zhì)基太陽(yáng)能蒸發(fā)器，高效海水淡化成現(xiàn)實(shí)

隨著人口增長(zhǎng)、工業(yè)化和氣候變化的加劇，全球水資源危機(jī)日益嚴(yán)峻，淡水資源的稀缺已成為制約可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。占地球水資源總量近97.5%的海水被視為重要的替代水源，然而傳統(tǒng)的反滲透或多級(jí)閃蒸等海水淡化技術(shù)能耗高、成本昂貴，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。 interfacial太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)作為一種新興的替代方案，利用可再生的太陽(yáng)能僅加熱水的薄表層，從而最大限度地減少熱損失和操作復(fù)雜性，為沿海和干旱地區(qū)提供了一種低成本、環(huán)境友好的淡水制備途徑。木材作為一種豐富且可再生的天然產(chǎn)物，具有分層的多孔結(jié)構(gòu)和低曲率通道，能夠漂浮在水面上，展現(xiàn)出在界面太陽(yáng)能蒸發(fā)領(lǐng)域的巨大潛力。

針對(duì)當(dāng)前木質(zhì)生物質(zhì)基蒸發(fā)器普遍存在的水分管理效率低和光熱轉(zhuǎn)換性能不佳的問(wèn)題，北京林業(yè)大學(xué)袁同琦教授、沈曉俊博士和武漢大學(xué)陳朝吉教授合作開發(fā)了一種雙功能木質(zhì)素工程化重組木材框架策略。該策略通過(guò)對(duì)木質(zhì)生物質(zhì)進(jìn)行成分和結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)性能的提升。通過(guò)部分保留并重構(gòu)木材框架中的木質(zhì)素，研究團(tuán)隊(duì)成功生成了更多具有低蒸發(fā)焓的"中間水"，同時(shí)保留了木材的泵水能力。而提取出的木質(zhì)素則通過(guò)激光誘導(dǎo)石墨化技術(shù)被升級(jí)利用，制備出由分層石墨烯/石墨碳組成的寬帶光熱層，其太陽(yáng)能吸收率超過(guò)95%。這種協(xié)同設(shè)計(jì)使得最終獲得的E-150太陽(yáng)能蒸發(fā)器在一個(gè)太陽(yáng)照射下，蒸發(fā)速率達(dá)到2.24公斤/平方米/小時(shí)，光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)91.52%，超越了大多數(shù)已報(bào)道的木基蒸發(fā)器。相關(guān)論文以“Reconstitution of woody biomass framework via dual-functional lignin engineering toward efficient and salt-resistant solar desalination”為題，發(fā)表在

Nature Communications

水分管理與木質(zhì)素的關(guān)鍵作用

研究人員首先探討了木質(zhì)素含量對(duì)木材中水分狀態(tài)的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)150℃乙醇溶液預(yù)處理的木材（W-150），其木質(zhì)素含量從天然木材的25.77%降至16.70%。適度的木質(zhì)素去除不僅提高了木材的親水性，保證了水分能夠被有效泵送至蒸發(fā)界面，更重要的是，木質(zhì)素作為木材中唯一的疏水成分，其部分保留和結(jié)構(gòu)變化（如紫丁香基單元比例增加、疏水C-C鍵增多）有助于弱化木材基材與水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而誘導(dǎo)生成更多具有更低蒸發(fā)焓的"中間水"。通過(guò)差示掃描量熱法、暗蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)、低場(chǎng)核磁共振和拉曼光譜等多種手段驗(yàn)證，W-150中的中間水含量最高，蒸發(fā)焓最低（暗蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)測(cè)得為1397 J/g）。相比之下，幾乎完全去除木質(zhì)素的W-A樣品雖然親水性更好，但其水分以高蒸發(fā)焓的自由水為主，限制了蒸發(fā)速率的進(jìn)一步提升。此外，部分保留的木質(zhì)素還起到了支撐作用，使W-150的多級(jí)通道結(jié)構(gòu)保持完整，尤其是射線細(xì)胞，這為后續(xù)抗鹽性能的提升奠定了基礎(chǔ)。

圖1 | 木質(zhì)生物質(zhì)基太陽(yáng)能蒸發(fā)器的制備及內(nèi)部機(jī)理示意圖。 a 木質(zhì)素工程化重構(gòu)木材骨架策略示意圖。b 木質(zhì)素在木質(zhì)生物質(zhì)基太陽(yáng)能蒸發(fā)器水管理和熱管理中的雙重功能。三維元素由Insight Vision根據(jù)我們的概念輸入進(jìn)行專業(yè)渲染。

圖2 | 適量木質(zhì)素木材的水管理。 a W-150中水與分子鏈相互作用及水態(tài)示意圖。纖維素（藍(lán)色六邊形）、半纖維素（綠色五邊形）和木質(zhì)素（棕色六邊形）被象征性地展示以說(shuō)明其結(jié)構(gòu)作用。b 基于定量2D-HSQC NMR譜（400 MHz, DMSO-d?）計(jì)算的結(jié)構(gòu)單元比例。c 通過(guò)暗蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的W-A和W-150中水的蒸發(fā)焓。c圖中的值代表均值±標(biāo)準(zhǔn)差（SD），n=3個(gè)獨(dú)立樣本。源數(shù)據(jù)以源數(shù)據(jù)文件形式提供。d W-A和W-150在纖維飽和狀態(tài)下的T?分布。e W-A和f W-150在纖維飽和狀態(tài)下的T?-T?相關(guān)譜。

光熱層構(gòu)建與性能優(yōu)化

研究團(tuán)隊(duì)將預(yù)處理過(guò)程中回收的木質(zhì)素涂覆在W-150表面，并通過(guò)激光刻蝕技術(shù)制備了光熱轉(zhuǎn)換層。激光刻蝕后，蒸發(fā)器表面呈現(xiàn)親水性增強(qiáng)和有序的多孔結(jié)構(gòu)。這種微米級(jí)大孔、介孔和微孔組成的分級(jí)有序多孔結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)了顯著的黑體效應(yīng)，極大地增強(qiáng)了寬波段太陽(yáng)光的吸收和局部光熱轉(zhuǎn)換。高分辨透射電鏡和拉曼光譜分析表明，激光刻蝕后的表面碳層同時(shí)存在石墨烯和石墨碳，石墨烯的晶格間距為0.349 nm，對(duì)應(yīng)于石墨碳的（002）晶面。拉曼光譜中顯著的2D峰和較小的ID/IG值（0.69）證實(shí)了少層石墨烯的存在。多孔石墨碳作為石墨烯的支撐材料，不僅提供了高比表面積促進(jìn)光吸收，還彌補(bǔ)了少層石墨烯單體光吸收效率有限和方向單一的缺陷。在石墨烯和石墨碳的協(xié)同作用下，E-150蒸發(fā)器在300-2500 nm全波段的太陽(yáng)光吸收率高達(dá)95.48%，遠(yuǎn)超未經(jīng)處理的樣品。該制備工藝簡(jiǎn)單、可放大，研究團(tuán)隊(duì)已成功制備出0.88平方米或任意形狀的大尺寸蒸發(fā)器，展現(xiàn)了良好的規(guī)?；瘧?yīng)用前景。

圖3 | 頂層結(jié)構(gòu)及光吸收性能表征。 a 激光刻蝕木質(zhì)素制備石墨烯示意圖。b C-150和E-150的表面潤(rùn)濕性。C-150是涂覆了木質(zhì)素溶液的W-150；E-150代表通過(guò)激光刻蝕C-150獲得的木質(zhì)生物質(zhì)基太陽(yáng)能蒸發(fā)器。c 激光刻蝕前后的SEM對(duì)比圖像。d E-150表面的截面SEM圖像。e E-150表面不同尺度的SEM和HR-TEM圖像。f E-150光熱轉(zhuǎn)換層的拉曼光譜。g 木質(zhì)生物質(zhì)基太陽(yáng)能蒸發(fā)器的太陽(yáng)吸收率及空氣質(zhì)量1.5全球（AM 1.5 G）傾斜太陽(yáng)光譜的歸一化光譜太陽(yáng)輻照度密度。h 大尺寸激光刻蝕木質(zhì)生物質(zhì)基太陽(yáng)能蒸發(fā)器。

蒸發(fā)性能與機(jī)制驗(yàn)證

基于上述優(yōu)化，以W-150為基底、經(jīng)激光刻蝕制備的E-150蒸發(fā)器展現(xiàn)出卓越的蒸發(fā)性能。在一個(gè)太陽(yáng)照射下，其蒸發(fā)速率達(dá)到2.24公斤/平方米/小時(shí)，遠(yuǎn)高于基于天然木材的E-W（1.51公斤/平方米/小時(shí)）和基于完全脫木質(zhì)的W-A的E-A（1.72公斤/平方米/小時(shí)）。蒸發(fā)速率的差異主要?dú)w因于木質(zhì)素含量對(duì)水分狀態(tài)的影響：E-W因木質(zhì)素過(guò)多導(dǎo)致泵水能力不足，而E-A因親水性過(guò)強(qiáng)導(dǎo)致自由水主導(dǎo)。E-150則實(shí)現(xiàn)了最佳的中間水含量與泵水能力的平衡。同時(shí)，激光功率的優(yōu)化也至關(guān)重要，45%的激光功率最有利于形成石墨烯與石墨碳的復(fù)合層，實(shí)現(xiàn)最佳的光熱轉(zhuǎn)換。紅外熱成像顯示，E-150表面在光照1分鐘內(nèi)迅速升至39.1℃，30分鐘后穩(wěn)定在約50℃，而體相水溫僅為31℃，表明其優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化能力和熱局域效應(yīng)。與文獻(xiàn)中報(bào)道的先進(jìn)木基太陽(yáng)能蒸發(fā)器相比，E-150的性能處于領(lǐng)先水平，且其全生物質(zhì)基、低能耗、短耗時(shí)、無(wú)金屬添加的制備工藝賦予了它顯著的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 | 木質(zhì)素工程化重組木的蒸發(fā)性能。 a E-W、E-A和E-150在一個(gè)太陽(yáng)照射下的蒸發(fā)速率曲線。b 不同木質(zhì)素含量的木質(zhì)生物質(zhì)基太陽(yáng)能蒸發(fā)器在一個(gè)太陽(yáng)照射下的穩(wěn)定蒸發(fā)速率（所有蒸發(fā)器均基于W-150制備，E-X中的X代表激光功率，n=3）。c 激光功率對(duì)木質(zhì)生物質(zhì)基太陽(yáng)能蒸發(fā)器蒸發(fā)速率的影響（n=3）。d E-W、E-A和E-150在一個(gè)太陽(yáng)照射下的光熱轉(zhuǎn)換效率（n=3）。e 與先前報(bào)道的木質(zhì)生物質(zhì)基太陽(yáng)能蒸發(fā)器在蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)換效率方面的比較。

實(shí)際應(yīng)用與多功能性

E-150在實(shí)際海水淡化和廢水凈化中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗鹽性、穩(wěn)定性和可回收性。在3.5%和5.0%鹽度的模擬鹽水中，E-150在6小時(shí)內(nèi)蒸發(fā)速率穩(wěn)定在約2.15公斤/平方米/小時(shí)。即使鹽度增至10%，蒸發(fā)速率也僅略有下降至1.96公斤/平方米/小時(shí)，并保持穩(wěn)定。其優(yōu)異的抗鹽性源于部分保留的木質(zhì)素所維持的多級(jí)完整通道結(jié)構(gòu)：不同直徑的通道產(chǎn)生水力傳導(dǎo)差異，形成面內(nèi)濃度梯度，驅(qū)動(dòng)鹽離子通過(guò)射線細(xì)胞橫向穿梭，同時(shí)大直徑通道內(nèi)積累的鹽離子可反向擴(kuò)散回海水中，實(shí)現(xiàn)多向質(zhì)量傳遞，有效防止鹽結(jié)晶。在北京進(jìn)行的戶外真實(shí)海水蒸發(fā)測(cè)試中，E-150在11:00至14:00期間的蒸發(fā)速率穩(wěn)定在約2.00公斤/平方米/小時(shí)，驗(yàn)證了其實(shí)用潛力。此外，E-150展現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在連續(xù)12小時(shí)和一個(gè)循環(huán)4小時(shí)共10次的蒸發(fā)測(cè)試中，蒸發(fā)速率均保持穩(wěn)定。更重要的是，部分保留的木質(zhì)素為E-150提供了剛性支撐，使其在回收后體積幾乎無(wú)變化，而完全脫木質(zhì)的E-A則嚴(yán)重收縮，表面碳層損壞，表明E-150具有良好的可回收性。

圖5 | 木質(zhì)素工程化重構(gòu)木材的多功能性能：耐鹽性、可回收性和凈化能力。 a 一個(gè)太陽(yáng)輻射下E-150在不同鹽度鹽水中的蒸發(fā)速率。b E-150抗鹽結(jié)晶示意圖。c E-150的室外水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)（n=3）。d 室外實(shí)驗(yàn)中8:00至17:00的同步太陽(yáng)通量和E-150的蒸發(fā)速率（溫度范圍：20-29 °C，濕度范圍：50%-60%，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度如圖5d所示，中國(guó)北京，2024年9月19日）。e 一個(gè)太陽(yáng)輻射下E-150在真實(shí)海水中連續(xù)蒸發(fā)12小時(shí)的蒸發(fā)速率變化，插圖為連續(xù)蒸發(fā)12小時(shí)后的鹽結(jié)晶情況。f E-A和E-150回收前后的圖像。g 一個(gè)太陽(yáng)輻射下E-150在真實(shí)海水中連續(xù)10個(gè)4小時(shí)循環(huán)的平均蒸發(fā)速率（n=3）。b和g圖中的值代表均值±標(biāo)準(zhǔn)差（SD），n=3個(gè)獨(dú)立樣本。源數(shù)據(jù)以源數(shù)據(jù)文件形式提供。

總結(jié)與展望

這項(xiàng)研究成功展示了一種通過(guò)對(duì)木質(zhì)生物質(zhì)框架進(jìn)行成分和結(jié)構(gòu)重構(gòu)的策略，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能蒸發(fā)器中水分輸送和光熱轉(zhuǎn)換的同步優(yōu)化。研究證實(shí)，部分保留的木質(zhì)素促進(jìn)了"中間水"的形成，在保證有效泵水的同時(shí)降低了蒸發(fā)焓；而通過(guò)激光刻蝕木質(zhì)素制備的光熱轉(zhuǎn)換層結(jié)合了石墨烯和石墨碳的優(yōu)勢(shì)，具備強(qiáng)大的光吸收和光熱轉(zhuǎn)換能力?；诖瞬呗垣@得的E-150蒸發(fā)器性能優(yōu)異，且具有良好的抗鹽性、可回收性和凈化能力。該工作為木質(zhì)生物質(zhì)基太陽(yáng)能蒸發(fā)器的可持續(xù)發(fā)展提供了一種簡(jiǎn)單、低能耗、低成本且具有大規(guī)模應(yīng)用潛力的新范式，在兼顧經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益方面邁出了重要一步。