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  天然木材因其豐富性、親水性和多孔結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是界面太陽能蒸發(fā)器(ISSG)優(yōu)良的基底材料。但仍存在一些挑戰(zhàn)限制木材基太陽能蒸發(fā)器的水蒸發(fā)速率。一方面，由于木材的孔結(jié)構(gòu)較小且致密，天然木材的水含量僅為1-1.7 g g^-1遠(yuǎn)低于水凝膠材料的5-10 g g^-1，限制了蒸發(fā)過程中的水供應(yīng)。另一方面，由于水分子之間廣泛的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，木材內(nèi)部水的蒸發(fā)焓保持在較高的水平。這些缺點最終導(dǎo)致木材基蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率較低(<1-3 kg m^-2 h^-1)。

  近日，貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院謝遠(yuǎn)鵬/呂夢嵐教授團隊利用天然木材，開發(fā)了一種兼具高毛細(xì)水含量和低蒸發(fā)焓的高效木材基太陽能蒸發(fā)器。通過去除木材中的相對疏水的木質(zhì)素和半纖維素，擴大了木材的孔徑；然后將磺酸基團接枝到木材表面，以削弱水分子之間的氫鍵作用，從而降低蒸發(fā)焓。優(yōu)化后的木材表現(xiàn)出6.5 g g^-1的水吸收率和1197 J g^-1的低蒸發(fā)焓，優(yōu)于天然木材（1.2 g g^-1 和 1800 J g^-1）。分子動力學(xué)模擬表明，磺化木材表面包含豐富的氫鍵位點，這在熱力學(xué)上增強了水分子逃逸的行為。因此，優(yōu)化的木材蒸發(fā)器在1個太陽光輻射下表現(xiàn)出高達3.4 kg m^-2 h^-1的蒸發(fā)速率和97.2%的光熱轉(zhuǎn)換效率。

  相關(guān)成果以“Natural Wood with Optimal Capillary Water Content and Evaporation Enthalpy for Efficient Interfacial Solar Steam Generation”為題，在國際期刊《Materials Horizons》（中科院二區(qū)，IF=12.2）上發(fā)表，文章通訊作者為貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院謝遠(yuǎn)鵬特聘教授，第一作者為貴州大學(xué)2022級碩士研究生田茂松。

圖1.樣品的制作過程和表面形態(tài)。a) S-wood的合成和制作過程。N-wood、E-wood、S-wood的掃描電鏡（SEM）圖像，分別為b-d）頂視圖和e-g）橫截面視圖。

圖2. N-wood、E-wood和S-wood的化學(xué)結(jié)構(gòu)和親水性特征。a) FT-IR光譜，b) 寬掃描XPS，c) S 2p光譜（S-wood），d) 水接觸角，e) 水吸收率，f) 水蒸發(fā)焓。

圖3. MD模擬不同平衡過程的圖示：a) 水分子在N-wood中的分布，b) 水分子在E-wood中的分布，c) 水分子在S-wood中的分布，分別在0 ps和1000 ps時的狀態(tài)。彩色放大圖顯示了界面水分子密度的分布（紅色表示低密度）。d) 統(tǒng)計了在N-wood、E-wood和S-wood表面1000個水分子之間形成的氫鍵數(shù)量。e) 水分子與N-wood、E-wood和S-wood之間的范德華相互作用。

圖4. 太陽能蒸發(fā)性能：a) 太陽能蒸發(fā)S-wood的示意圖和圖片；b) AM1.5G太陽光譜與竹炭黑的吸收特性；c) 三種蒸發(fā)器在1個太陽照射下的質(zhì)量變化曲線；d) 最大表面溫度曲線隨照射時間的變化；e) S-wood的循環(huán)穩(wěn)定性；f) 本研究結(jié)果與文獻中其他研究的水蒸發(fā)速率和效率比較。

圖5. S-wood基ISSG的戶外性能。a) 太陽能蒸發(fā)器的戶外測試設(shè)備；b) 環(huán)境濕度和溫度曲線；c) 戶外太陽能淡化過程中水的質(zhì)量隨時間的變化，并監(jiān)測陽光強度；d-e) 凈化前后剛果紅和亞甲基藍的吸收光譜；f) 淡化前后的離子濃度。

  本研究通過蝕刻木材成分并加入特殊官能團，成功制備了具有高性能的太陽能蒸發(fā)器的分層多孔木基基材。這些區(qū)域不僅促成了層級多孔結(jié)構(gòu)的形成，從而增強了水分運輸動力學(xué)，還調(diào)控了水的活化狀態(tài)，從而減少了水蒸發(fā)所需的能量，這一過程通過理論模擬和實驗驗證得到了證明。通過合理調(diào)節(jié)親水性和疏水性化學(xué)成分，達到了高達3.4 kg m^-2 h^-1的水蒸發(fā)速率，并且在單日照下對應(yīng)的效率可達到97.2%，這是迄今為止報告的最高值之一。更重要的是，基于磺化木材的蒸發(fā)器不僅表現(xiàn)出在海水中良好的的鹽分去除能力和穩(wěn)定性，而且在去除更濃的鹽水和污水中的染料方面也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。此研究表明，木材是太陽能蒸發(fā)器的非常有情景的候選材料，并為高效蒸發(fā)器的制備提供了有效的策略。

  文獻來源：https://doi.org/10.1039/D5MH00394F