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

  近日，貴州大學化學與化工學院謝遠鵬/呂夢嵐教授團隊利用天然木材，開發了一種兼具高毛細水含量和低蒸發焓的高效木材基太陽能蒸發器。通過去除木材中的相對疏水的木質素和半纖維素，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，從而降低蒸發焓。優化后的木材表現出6.5 g g^-1的水吸收率和1197 J g^-1的低蒸發焓，優于天然木材（1.2 g g^-1 和 1800 J g^-1）。分子動力學模擬表明，磺化木材表面包含豐富的氫鍵位點，這在熱力學上增強了水分子逃逸的行為。因此，優化的木材蒸發器在1個太陽光輻射下表現出高達3.4 kg m^-2 h^-1的蒸發速率和97.2%的光熱轉換效率。

  相關成果以“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，IF=12.2）上發表，文章通訊作者為貴州大學化學與化工學院謝遠鵬特聘教授，第一作者為貴州大學2022級碩士研究生田茂松。

圖1.樣品的制作過程和表面形態。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的化學結構和親水性特征。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。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. 太陽能蒸發性能：a) 太陽能蒸發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) 三種蒸發器在1個太陽照射下的質量變化曲線；d) 最大表面溫度曲線隨照射時間的變化；e) S-wood的循環穩定性；f) 本研究結果與文獻中其他研究的水蒸發速率和效率比較。

圖5. S-wood基ISSG的戶外性能。a) 太陽能蒸發器的戶外測試設備；b) 環境濕度和溫度曲線；c) 戶外太陽能淡化過程中水的質量隨時間的變化，并監測陽光強度；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器的分層多孔木基基材。這些區域不僅促成了層級多孔結構的形成，從而增強了水分運輸動力學，還調控了水的活化狀態，從而減少了水蒸發所需的能量，這一過程通過理論模擬和實驗驗證得到了證明。通過合理調節親水性和疏水性化學成分，達到了高達3.4 kg m^-2 h^-1的水蒸發速率，并且在單日照下對應的效率可達到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器不僅表現出在海水中良好的的鹽分去除能力和穩定性，而且在去除更濃的鹽水和污水中的染料方面也表現出優異的性能。此研究表明，木材是太陽能蒸發器的非常有情景的候選材料，并為高效蒸發器的制備提供了有效的策略。

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