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  隨著過量的廢水排放與生產生活用水的增加，淡水資源緊缺逐漸成為限制社會可持續發展的重要因素。利用太陽能界面集熱的方式能夠實現由海水向淡水的高效轉換。在傳統的太陽能蒸發海水淡化體系中，往往需要設計同時具有高吸光性、高隔熱性與低曲折度的水相/蒸汽相輸送通路。近年來，越來越多的材料體系如金屬氧化物泡沫、聚合物薄膜、聚合物海綿、碳基氣凝膠等均被用作太陽能蒸發體系基底材料以提高整體蒸發效率，但是這些材料往往需要較高的制備成本，同時在環境相容性與生物可降解性方面表現較差。

  出于緩解淡水危機的實際應用需求與提高太陽能蒸發體系的環境相容性及生物可降解性，研究人員利用天然木材的低曲折度孔管結構與優異的各向異性熱傳導的獨特性質，將脫木素處理后的木材作為太陽能蒸發體系基底；同時為了實現木質組分的全內循環利用，通過一鍋法將脫除的木質素經過簡單的化學改性自組裝成功制備為具有一定光熱轉換效果的木質素基衍生碳量子點原位循環修飾至脫木素木材內，實現了全木組分的高效循環利用，同時所制備的太陽能蒸發體系在一個自然光強度（1 kW·m^-2）下實現1.09 kg·m^-2·h^-1的蒸發速率，同時光熱轉換利用率可達79.5%，這一體系不僅實現了對可再生太陽能的有效利用，同時也實現了對木質基材料體系內循環全利用，對拓展木質基材料的資源化利用同樣具有重要意義。

圖1. (a) 天然生長木材的示意圖與光驅動的蒸騰現象。(b) 天然木材脫木素處理過程與木質素衍生碳量子點的水熱制備過程。(c) 木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材的過程示意。(d) 木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材在自然光下作用進行光熱蒸發過程示意。(e) 木質素衍生碳量子點的六元環結構及光吸收促進與光熱轉換過程示意。

  為了說明材料體系中作為光熱轉換組分的木質素衍生碳量子點 (LCQDs) 的結構有效性與脫木素木材 (DW) 的結合穩定性，研究人員通過透射電鏡、拉曼譜圖等證實了 LCQDs 形成了特征的石墨化結構，并且脫木素處理與化學改性自組裝分別賦予了 LCQDs 與 DW 更多的表面含氧官能團，二者之間的有效結合賦予了 LCQDs-DW 相較于其他中間體更好的光熱轉換溫升效果與光熱蒸發性能；同時，同根同源的木質基底組分使得二者之間能夠實現穩定的化學鍵合，研究人員通過X光電子能譜與紅外譜圖等也證實了二者之間的結合，這同時也為保證材料體系的化學穩定性與循環使用可靠性奠定了基礎。

圖2. (a, b, c) 天然木材、脫木素木材、木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材的實物圖片（刻度尺表示10 mm長度）。(d, e, f) 天然木材、脫木素木材、木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材的掃描電鏡圖片（橫截面）。(g, h, i) 天然木材、脫木素木材、木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材的掃描電鏡圖片（縱截面）。(j) 木質素衍生碳量子點的高分辨透射電鏡形貌。(k, l) 木質素及木質素衍生碳量子點的拉曼譜圖與XRD譜圖。(m, n) 質素衍生碳量子點修飾脫木素木材的C/N/O 元素在縱截面與橫截面中的構成比例。(o) 木質素衍生碳量子點的XPS全掃描譜圖。(p, q, r) 木質素衍生碳量子點的C 1/O 1s/N1s精細掃描譜圖。(s) 木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材的XPS全掃描譜圖。(t, u, v) 木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材的C 1/O 1s/N1s精細掃描譜圖。

圖3. (a) 天然木材、脫木素木材、木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材沿各自橫截面、縱截面的熱導率。(b) 天然木材、脫木素木材、木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材的紫外-可見吸光光譜（AM 1.5標準太陽能譜圖為背景，380-780 nm的可見光范圍由綠色虛線標注）。(c) 純水、天然木材、脫木素木材、木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材在一個自然光強度照射下的溫升曲線。(d) 木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材在模擬光源下用作太陽能蒸發體系的示意。(e) 木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材太陽能蒸發體系的紅外測溫圖，光熱蒸發區域由虛線矩形標記。(f, g) 純水、天然木材、脫木素木材、木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材在一個自然光強度下（1 kW·m^-2）的溫升曲線與相對應的蒸發量變化曲線。(h) 純水、天然木材、脫木素木材、木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材的總蒸發量與光熱蒸發效率對比。

  研究人員同時通過有限元模擬多物理場分析的輔助手段，對在 LCQDs-DW 體系中氣液蒸發界面界面的形成機制與影響因素、氣液蒸發界面熱傳導行為等過程進行了作用機制的分析；得出 LCQDs-DW 的孔管尺寸是影響有效氣液界面形成的關鍵因素，同時表現為孔管內氣液界面處作用的毛細力大小的變化與隨之產生的孔管內氣液界面高度占比的不同，適宜的氣液界面高度能夠高效地實現光能捕獲與光熱蒸發；通過實驗測試的光熱蒸發體系的紅外熱成像圖，實驗人員提出了通過 LCQDs-DW 進行熱值集中與定向熱傳導是影響蒸發過程的主要因素，并通過有限元模擬多物理場分析的輔助手段，驗證了在 LCQDs-DW 與所定義的氣液界面附近始終存在的傳熱溫度差，佐證了界面熱值傳遞的假設；同時，研究人員也從流-熱耦合的角度分析了光熱蒸發過程，并得出 LCQDs-DW 的孔管結構能夠提供整體能量損失更小的層流流動，促進有效氣液蒸發界面的形成與降低能量損耗，提高轉換能量利用率。

圖4. (a, b, c) 天然木材、脫木素木材、木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材的表面浸潤性，測試面為樣品橫截面。(d) 木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材在水中浸泡1/3/5小時后面的側視圖示意。(e) 模擬孔管內由毛細作用力驅動的水相提拔高度隨時間變化的曲線，模擬孔管的半徑以5 μm為增長單位由5 μm變化至50 μm。(f) 模擬孔管內水相最大提拔高度與相應氣液界面在孔管內占比。(g) 模擬孔管內毛細力作用驅動水相輸送過程示意。(h) 模擬孔管內沿孔管向上水相在不同半徑孔管內的上升速度。

圖5. (a) 由木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材上表面至水體的溫度變化趨勢。(b) 溫度變化趨勢中標記的四部分區域，1-空氣場至木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材上表面，2-木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材的上表面至下表面，3-木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材附近的氣液界面，4-主水體。(c) 計算 (a) 圖中溫度曲線的三處平均溫度線分布。(d) 模擬所得木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材附近的氣液界面與其上表面間的溫度上升曲線。(e) 模擬所得氣液界面附近存在的溫度梯度。(f) 模擬所得穩定蒸發狀態下木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材上表面溫度分布。(g) 模擬所得穩定蒸發狀態下木質素衍生碳量子點修飾脫木素木材內蒸汽流上升情況。(h) 模擬所得蒸汽流發展階段與穩定階段的流動流率。(i) 模擬再現的由初始態至穩定態的光熱蒸發過程發展。

  研究人員對光熱蒸發后產生的淡水水體也進行了質量把控，其主要離子脫除率也符合世界衛生組織（WHO）所制定的相關標準，使得這一材料體系同時具有優秀的光熱轉換利用效率、良好的環境相容性與生物可降解性，且具備極好的實際應用潛力，對于高效海水淡化提出了一些新的見解與機理解釋，同時拓展了木質基材料內循環利用的有效途徑。

  上述工作近期以“Enhanced Wood-Derived Photothermal Evaporation System by In-situ Incorporated Lignin Carbon Quantum Dots”為題發表在Elsevier旗下雜志Chemical Engineering Journal，該論文第一作者為東北林業大學材料學院2018級碩士研究生晁偉翔，東北林業大學材料學院王成毓教授與哈爾濱工業大學環境學院賀詩欣教授為該論文共同通訊作者，東北林業大學材料學院李煜東副教授對本文工作提供了部分指導意見。該工作受到國家自然科學基金項目支持。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472032831X