AFM|通過細(xì)胞壁工程實現(xiàn)水-能協(xié)同生產(chǎn)的全木質(zhì)蒸發(fā)器

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研究背景

由城市化、工業(yè)擴(kuò)張及氣候變化所驅(qū)動的多重壓力正持續(xù)加劇全球淡水危機(jī)。在此背景下，基于太陽能的淡水生產(chǎn)技術(shù)日益受到關(guān)注，其中太陽能界面蒸發(fā)（SPIE）已成為研究熱點。木材因其天然的多孔構(gòu)造和出色的隔熱性能，被認(rèn)為是太陽能蒸發(fā)器的理想候選基底。然而，直接利用天然木材的效果并不理想：一方面，木材本身的光熱轉(zhuǎn)換能力較弱；另一方面，木材固有的微結(jié)構(gòu)限制了蒸發(fā)界面水分子的活化與快速傳輸。如何通過精確的微觀結(jié)構(gòu)工程突破這些限制，充分釋放木材的蒸發(fā)潛力，是目前亟待解決的挑戰(zhàn)。

基于此，本研究利用響應(yīng)面法（RSM）精確調(diào)控木材細(xì)胞壁內(nèi)纖維素的原位溶解與再生，構(gòu)建出高效的水傳輸微納網(wǎng)絡(luò) ，并利用自提取木質(zhì)素構(gòu)建高效光熱層，旨在開發(fā)一種低碳、高效的“產(chǎn)水-產(chǎn)電”一體化全木基蒸發(fā)系統(tǒng)。

相關(guān)工作以All Wood-Based Evaporator via Cell Wall Regulating for Integrated Water and Energy Generation為題發(fā)表在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》 (JCR一區(qū)，中科院一區(qū)TOP，IF=18.5)上。

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研究內(nèi)容

本研究通過響應(yīng)面法（RSM）協(xié)同細(xì)胞壁工程，實現(xiàn)了木材內(nèi)部纖維素的原位溶解與再生，在細(xì)胞壁內(nèi)構(gòu)建出交織的微納纖維網(wǎng)絡(luò)以優(yōu)化水分傳輸路徑 。通過將自提取的木質(zhì)素作為高性能光熱層，該全木基蒸發(fā)器（LORW）實現(xiàn)了 91.25% 的光熱轉(zhuǎn)換效率，并在 1 個太陽光照下達(dá)到 2.07 kg·m-2·h-1 的高蒸發(fā)速率。此外，系統(tǒng)利用流動電勢原理實現(xiàn)了產(chǎn)水與發(fā)電的協(xié)同，可產(chǎn)生 254.52 mV 的電壓，且全生命周期評估顯示其碳排放較石油基材料降低了 30.99%，為實現(xiàn)低碳、可持續(xù)的生物質(zhì)全成分資源化利用提供了新策略 。

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研究數(shù)據(jù)

圖1.LORW的制備過程、光熱層與木質(zhì)基材之間的結(jié)合機(jī)制、流體勢的形成機(jī)制以及流體勢的收集過程。

圖2.(a) 不同條件下制備的RW的蒸發(fā)速率。(b) 溶解-再生不充分的RW的SEM圖像。(c)ORW的橫截面SEM圖像。(d) 溶解-再生過度的RW的SEM圖像。(e) ORW的吸附和解吸曲線。(f) 不同條件下制備的RW或LORW（RW-30和RW-40分別指在30°C 下溶解并再生6 h的RW和溶解30 h、再生2 h的RW）的FTIR光譜圖，(g) ORW和LORW的XPS圖譜。

圖3.(a) 不同木質(zhì)素添加量下ORW的蒸發(fā)速率。(b) DW、ORW和140 mg-ORW的蒸發(fā)速率對比。(c)不同蒸發(fā)器中溫度變化的對比。

圖4.(a) ORW和140 mg-ORW的光吸收情況，以及全球氣壓1.5級（AM 1.5 G）傾斜太陽光譜的標(biāo)準(zhǔn)化光譜太陽輻照度密度。(b) 100 mg-ORW和140 mg-ORW的接觸角變化，(c) ORW 的拉曼光譜，(d) 100 mg-ORW，(e) 140 mg-ORW，(f) 200 mg-ORW，(g) DW和ORW的分子動力學(xué)模擬圖。(h) 纖維素與水分子之間氫鍵數(shù)量變化的圖表。(i) DW和ORW之間的相互作用能量。(j) DSC曲線。

圖5.(a) 不同蒸發(fā)器的開路電壓。(b) 不同蒸發(fā)器的短路電流。(c) 流動勢的機(jī)制。(d) 水層中鹽的濃度差異。(e) 同時蒸發(fā)和水力發(fā)電收集的蒸發(fā)速率和開路電壓。(f) 同時蒸發(fā)和水力發(fā)電收集的示意圖。(g) 在不同時間段陽光照射下的蒸發(fā)速率。(h) 12 h連續(xù)蒸發(fā)和12輪蒸發(fā)。(i)不同鹽濃度下水層的蒸發(fā)速率。(j) 用20 ppm亞甲藍(lán)溶液凈化前后水的吸光度。(k) 蒸發(fā)前后水中的金屬離子濃度。(l) 與其他文獻(xiàn)的對比圖表。

圖6.(a) 環(huán)境影響分析流程示意圖。(b) 在制備溶解水（DW）、氧化還原水（ORW）和木質(zhì)素溶液的過程中，化學(xué)物質(zhì)和能源投入對各類環(huán)境影響類別所做出的貢獻(xiàn)百分比。(c) 制造低密度水（LDW）和低氧化還原水（LORW）所產(chǎn)生二氧化碳當(dāng)量的排放量。(d) 在制造LORW的過程中，電力、化學(xué)物質(zhì)及其他因素對二氧化碳當(dāng)量排放量所做出的貢獻(xiàn)百分比。(e) 在制備溶解水、氧化還原水、木質(zhì)素溶液以及將其整合到LDW和LORW的過程中，化學(xué)物質(zhì)和能源投入對全球變暖潛能值（GWP）所做出的貢獻(xiàn)百分比。

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研究結(jié)論

本研究成功開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)工程化的全木基太陽能界面蒸發(fā)器（W-SPIE），通過創(chuàng)新的細(xì)胞壁工程策略與木質(zhì)素的價值化利用，實現(xiàn)了高效的淡水生產(chǎn)與電能收集協(xié)同。利用響應(yīng)面法（RSM）精確調(diào)控木材內(nèi)部纖維素的原位溶解與再生，在細(xì)胞壁內(nèi)重構(gòu)出交織的微納纖維網(wǎng)絡(luò)，使材料的比表面積提升了 3.72 倍，顯著增強(qiáng)了水分傳輸效率并降低了蒸發(fā)焓。

通過將自提取的木質(zhì)素作為高性能光熱層，該系統(tǒng)實現(xiàn)了 91.25% 的光熱轉(zhuǎn)換效率，并在 1 個太陽光照下達(dá)到 2.07 kg·m-2·h-1 的高蒸發(fā)速率。此外，系統(tǒng)利用流動電勢原理和離子濃度梯度，在蒸發(fā)過程中同步實現(xiàn)了 254.52 mV 的穩(wěn)定電壓輸出，且在 15 wt% 的高鹽環(huán)境下仍展現(xiàn)出卓越的抗鹽結(jié)垢能力與凈水性能 。全生命周期評估表明，該全木基材料的碳排放較石油基材料降低了 30.99%，為低碳、可持續(xù)的生物質(zhì)全成分資源化利用提供了極具前景的新路徑 。

DOI:10.1002/adfm.202519230

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