文獻(xiàn)前沿| Nat. Commun. ：雙重調(diào)控木質(zhì)素生物質(zhì)框架實(shí)現(xiàn)高效耐鹽太陽(yáng)能海水淡化

界面太陽(yáng)能蒸發(fā)是應(yīng)對(duì)全球淡水危機(jī)的有效方案，但現(xiàn)有木質(zhì)蒸發(fā)器常面臨水分管理不佳與光熱轉(zhuǎn)換效率受限的挑戰(zhàn)。針對(duì)此問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)了一種雙功能木質(zhì)素工程再造木框架策略，通過(guò)醇水體系預(yù)處理精準(zhǔn)調(diào)控木質(zhì)素的含量與結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)產(chǎn)生高比例的低蒸發(fā)焓中間水，并利用激光誘導(dǎo)石墨化技術(shù)將回收木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為具有黑體效應(yīng)的層級(jí)石墨烯/石墨碳光熱層。該策略實(shí)現(xiàn)了光熱管理與水分管理的協(xié)同增強(qiáng)，在顯著提升蒸發(fā)性能的同時(shí)，憑借保留的多級(jí)通道結(jié)構(gòu)賦予了蒸發(fā)器優(yōu)異的耐鹽性、凈化能力及循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)工作以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期刊。

本文提出了一種木質(zhì)素工程再造木材框架策略，木質(zhì)素降低蒸發(fā)焓的同時(shí)通過(guò)激光蝕刻回收并處理成石墨碳、石墨烯復(fù)合光熱層，實(shí)現(xiàn)水分管理與光熱管理的協(xié)同優(yōu)化（圖1）。研究人員通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控木質(zhì)素殘留量，利用其疏水苯環(huán)結(jié)構(gòu)改變水分子的氫鍵環(huán)境，誘導(dǎo)W-150樣品產(chǎn)生高比例的低蒸發(fā)焓“中間水”，使其黑暗條件下的蒸發(fā)焓顯著降低至 1397J/g（圖2）。隨后，利用激光誘導(dǎo)石墨化技術(shù)將回收的木質(zhì)素原位轉(zhuǎn)化為具有多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的層級(jí)石墨烯/石墨碳復(fù)合光熱層，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)95.48%的全波段太陽(yáng)光吸收率（圖3）。在這種高效光熱轉(zhuǎn)換與低能耗蒸發(fā)的共同驅(qū)動(dòng)下，E-150蒸發(fā)器在1個(gè)太陽(yáng)輻射下實(shí)現(xiàn)了2.24kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率和91.52%的光熱轉(zhuǎn)換效率（圖4）。此外，由于部分木質(zhì)素的保留維持了木材天然多級(jí)通道的完整性，該設(shè)備在真實(shí)海水中表現(xiàn)出卓越的抗鹽結(jié)晶性能、高度的機(jī)械可回收性以及穩(wěn)定的戶外實(shí)用潛力（圖5）。

圖1蒸發(fā)器的制備工藝與內(nèi)部增強(qiáng)機(jī)制示意圖。(a)木質(zhì)素工程再造木框架策略的流程示意圖。(b)木質(zhì)素在木基太陽(yáng)能蒸發(fā)器的水分管理與熱量管理中的雙重功能展示。

圖2木質(zhì)素含量對(duì)木材內(nèi)部水分狀態(tài)的影響研究。(a) W-150中水分子與分子鏈相互作用及水分存在狀態(tài)的示意圖。(b)基于定量二維異核單量子相關(guān)核磁共振譜（2D-HSQC NMR）計(jì)算的結(jié)構(gòu)單元比例。(c)通過(guò)暗室蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的W-A與W-150中水分的蒸發(fā)焓。(d)纖維飽和狀態(tài)下W-A與W-150的橫向弛豫時(shí)間（T2）分布曲線。(e)纖維飽和狀態(tài)下W-A的T1-T2相關(guān)譜圖。(f)纖維飽和狀態(tài)下W-150的T1-T2相關(guān)譜圖。

圖3.頂層光熱層的微觀結(jié)構(gòu)與吸光性能表征。(a)通過(guò)激光蝕刻木質(zhì)素制備石墨烯的原理示意圖。（b）C-150與E-150的表面潤(rùn)濕性（接觸角）測(cè)試對(duì)比。(c)激光蝕刻前后的掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)比圖像。（d）E-150表面層的橫截面SEM圖像。（e）E-150表面在不同尺度（微米至納米級(jí)）下的SEM與高分辨透射電鏡（HR-TEM）圖像。（f）E-150光熱轉(zhuǎn)換層的拉曼光譜分析。（g）木質(zhì)太陽(yáng)能蒸發(fā)器的太陽(yáng)光吸收率曲線及標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻射光譜（AM 1.5 G）。（h）激光蝕刻制備的大尺寸木質(zhì)太陽(yáng)能蒸發(fā)器實(shí)物照片。

圖4再造木蒸發(fā)器的光熱蒸發(fā)性能測(cè)試與評(píng)價(jià)。(a)在一個(gè)太陽(yáng)輻射下E-W、E-A和E-150的蒸發(fā)速率隨時(shí)間變化的曲線。(b)不同木質(zhì)素含量的木質(zhì)蒸發(fā)器在一個(gè)太陽(yáng)輻射下的穩(wěn)定蒸發(fā)速率。(c)激光功率對(duì)木質(zhì)太陽(yáng)能蒸發(fā)器蒸發(fā)速率的影響。(d) E-150表面溫度隨時(shí)間變化的紅外熱成像圖。(e)E-W、E-A和E-150在一個(gè)太陽(yáng)輻射下的光熱轉(zhuǎn)換效率對(duì)比。(f)本研究與已報(bào)道的木質(zhì)太陽(yáng)能蒸發(fā)器在蒸發(fā)速率和效率方面的性能對(duì)比。(g)本研究與文獻(xiàn)中其他蒸發(fā)器在制備難度、成本、環(huán)境友好性等維度的綜合性能評(píng)估。

圖5蒸發(fā)器的多功能性表現(xiàn)：耐鹽、循環(huán)穩(wěn)定性與凈化。(a) E-150抵抗鹽結(jié)晶的機(jī)制示意圖。(b) E-150在不同鹽度（3.5%至25.0%）鹽水中的蒸發(fā)速率。(c) E-150的戶外水分蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置照片。(d)戶外實(shí)驗(yàn)中同步記錄的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度與E-150蒸發(fā)速率的變化圖。(e)E-150在真實(shí)海水中連續(xù)蒸發(fā)12小時(shí)的速率穩(wěn)定性及鹽結(jié)晶情況照片。(f) E-A與E-150在回收利用前后的實(shí)物對(duì)比照片。(g) E-150在真實(shí)海水中進(jìn)行10次連續(xù)循環(huán)測(cè)試（每次4小時(shí)）的平均蒸發(fā)速率。

小結(jié)：本文報(bào)道了一種基于雙功能木質(zhì)素工程的再造木框架太陽(yáng)能蒸發(fā)器制備策略，成功突破了傳統(tǒng)木質(zhì)蒸發(fā)器在水分管理與光熱效率上的瓶頸。研究的核心在于通過(guò)保留約 16.70% 的木質(zhì)素來(lái)精準(zhǔn)調(diào)控木材內(nèi)部的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而誘導(dǎo)產(chǎn)生大量低能耗的中間水，將水分蒸發(fā)焓顯著降低。與此同時(shí)，回收的木質(zhì)素被轉(zhuǎn)化為具有層級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的石墨烯/石墨碳光熱層，實(shí)現(xiàn)了 95.48% 的超高太陽(yáng)光吸收率。其蒸發(fā)速率為2.24千克平方米小時(shí)，單日照射下光熱轉(zhuǎn)化效率達(dá)91.52%，優(yōu)于大多數(shù)已報(bào)道的木質(zhì)蒸發(fā)器。此外，部分木質(zhì)素的存在保障了木材天然多級(jí)通道的完整性，使設(shè)備具備了優(yōu)異的耐鹽性、結(jié)構(gòu)剛性及可重復(fù)循環(huán)利用的實(shí)用價(jià)值。

論文信息：Wang B, He Y, Yang Z, et al. Reconstitution of woody biomass framework via dual-functional lignin engineering toward efficient and salt-resistant solar desalination[J]. Nature Communications, 2026. https://doi.org/10.1038/s41467-026-70270-0

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