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  隨著過(guò)量的廢水排放與生產(chǎn)生活用水的增加，淡水資源緊缺逐漸成為限制社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。利用太陽(yáng)能界面集熱的方式能夠?qū)崿F(xiàn)由海水向淡水的高效轉(zhuǎn)換。在傳統(tǒng)的太陽(yáng)能蒸發(fā)海水淡化體系中，往往需要設(shè)計(jì)同時(shí)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(lái)，越來(lái)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(yáng)能蒸發(fā)體系基底材料以提高整體蒸發(fā)效率，但是這些材料往往需要較高的制備成本，同時(shí)在環(huán)境相容性與生物可降解性方面表現(xiàn)較差。

  出于緩解淡水危機(jī)的實(shí)際應(yīng)用需求與提高太陽(yáng)能蒸發(fā)體系的環(huán)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(jié)構(gòu)與優(yōu)異的各向異性熱傳導(dǎo)的獨(dú)特性質(zhì)，將脫木素處理后的木材作為太陽(yáng)能蒸發(fā)體系基底；同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)木質(zhì)組分的全內(nèi)循環(huán)利用，通過(guò)一鍋法將脫除的木質(zhì)素經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)改性自組裝成功制備為具有一定光熱轉(zhuǎn)換效果的木質(zhì)素基衍生碳量子點(diǎn)原位循環(huán)修飾至脫木素木材內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了全木組分的高效循環(huán)利用，同時(shí)所制備的太陽(yáng)能蒸發(fā)體系在一個(gè)自然光強(qiáng)度（1 kW·m^-2）下實(shí)現(xiàn)1.09 kg·m^-2·h^-1的蒸發(fā)速率，同時(shí)光熱轉(zhuǎn)換利用率可達(dá)79.5%，這一體系不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)可再生太陽(yáng)能的有效利用，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)木質(zhì)基材料體系內(nèi)循環(huán)全利用，對(duì)拓展木質(zhì)基材料的資源化利用同樣具有重要意義。

圖1. (a) 天然生長(zhǎng)木材的示意圖與光驅(qū)動(dòng)的蒸騰現(xiàn)象。(b) 天然木材脫木素處理過(guò)程與木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)的水熱制備過(guò)程。(c) 木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材的過(guò)程示意。(d) 木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材在自然光下作用進(jìn)行光熱蒸發(fā)過(guò)程示意。(e) 木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)的六元環(huán)結(jié)構(gòu)及光吸收促進(jìn)與光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程示意。

  為了說(shuō)明材料體系中作為光熱轉(zhuǎn)換組分的木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn) (LCQDs) 的結(jié)構(gòu)有效性與脫木素木材 (DW) 的結(jié)合穩(wěn)定性，研究人員通過(guò)透射電鏡、拉曼譜圖等證實(shí)了 LCQDs 形成了特征的石墨化結(jié)構(gòu)，并且脫木素處理與化學(xué)改性自組裝分別賦予了 LCQDs 與 DW 更多的表面含氧官能團(tuán)，二者之間的有效結(jié)合賦予了 LCQDs-DW 相較于其他中間體更好的光熱轉(zhuǎn)換溫升效果與光熱蒸發(fā)性能；同時(shí)，同根同源的木質(zhì)基底組分使得二者之間能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的化學(xué)鍵合，研究人員通過(guò)X光電子能譜與紅外譜圖等也證實(shí)了二者之間的結(jié)合，這同時(shí)也為保證材料體系的化學(xué)穩(wěn)定性與循環(huán)使用可靠性奠定了基礎(chǔ)。

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

圖3. (a) 天然木材、脫木素木材、木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材沿各自橫截面、縱截面的熱導(dǎo)率。(b) 天然木材、脫木素木材、木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材的紫外-可見(jiàn)吸光光譜（AM 1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能譜圖為背景，380-780 nm的可見(jiàn)光范圍由綠色虛線標(biāo)注）。(c) 純水、天然木材、脫木素木材、木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材在一個(gè)自然光強(qiáng)度照射下的溫升曲線。(d) 木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材在模擬光源下用作太陽(yáng)能蒸發(fā)體系的示意。(e) 木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材太陽(yáng)能蒸發(fā)體系的紅外測(cè)溫圖，光熱蒸發(fā)區(qū)域由虛線矩形標(biāo)記。(f, g) 純水、天然木材、脫木素木材、木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材在一個(gè)自然光強(qiáng)度下（1 kW·m^-2）的溫升曲線與相對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)量變化曲線。(h) 純水、天然木材、脫木素木材、木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材的總蒸發(fā)量與光熱蒸發(fā)效率對(duì)比。

  研究人員同時(shí)通過(guò)有限元模擬多物理場(chǎng)分析的輔助手段，對(duì)在 LCQDs-DW 體系中氣液蒸發(fā)界面界面的形成機(jī)制與影響因素、氣液蒸發(fā)界面熱傳導(dǎo)行為等過(guò)程進(jìn)行了作用機(jī)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(guān)鍵因素，同時(shí)表現(xiàn)為孔管內(nèi)氣液界面處作用的毛細(xì)力大小的變化與隨之產(chǎn)生的孔管內(nèi)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(shí)現(xiàn)光能捕獲與光熱蒸發(fā)；通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的光熱蒸發(fā)體系的紅外熱成像圖，實(shí)驗(yàn)人員提出了通過(guò) LCQDs-DW 進(jìn)行熱值集中與定向熱傳導(dǎo)是影響蒸發(fā)過(guò)程的主要因素，并通過(guò)有限元模擬多物理場(chǎng)分析的輔助手段，驗(yàn)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(shè)；同時(shí)，研究人員也從流-熱耦合的角度分析了光熱蒸發(fā)過(guò)程，并得出 LCQDs-DW 的孔管結(jié)構(gòu)能夠提供整體能量損失更小的層流流動(dòng)，促進(jìn)有效氣液蒸發(fā)界面的形成與降低能量損耗，提高轉(zhuǎn)換能量利用率。

圖4. (a, b, c) 天然木材、脫木素木材、木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材的表面浸潤(rùn)性，測(cè)試面為樣品橫截面。(d) 木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材在水中浸泡1/3/5小時(shí)后面的側(cè)視圖示意。(e) 模擬孔管內(nèi)由毛細(xì)作用力驅(qū)動(dòng)的水相提拔高度隨時(shí)間變化的曲線，模擬孔管的半徑以5 μm為增長(zhǎng)單位由5 μm變化至50 μm。(f) 模擬孔管內(nèi)水相最大提拔高度與相應(yīng)氣液界面在孔管內(nèi)占比。(g) 模擬孔管內(nèi)毛細(xì)力作用驅(qū)動(dòng)水相輸送過(guò)程示意。(h) 模擬孔管內(nèi)沿孔管向上水相在不同半徑孔管內(nèi)的上升速度。

圖5. (a) 由木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材上表面至水體的溫度變化趨勢(shì)。(b) 溫度變化趨勢(shì)中標(biāo)記的四部分區(qū)域，1-空氣場(chǎng)至木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材上表面，2-木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材的上表面至下表面，3-木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材附近的氣液界面，4-主水體。(c) 計(jì)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(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)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(wěn)定蒸發(fā)狀態(tài)下木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材上表面溫度分布。(g) 模擬所得穩(wěn)定蒸發(fā)狀態(tài)下木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)修飾脫木素木材內(nèi)蒸汽流上升情況。(h) 模擬所得蒸汽流發(fā)展階段與穩(wěn)定階段的流動(dòng)流率。(i) 模擬再現(xiàn)的由初始態(tài)至穩(wěn)定態(tài)的光熱蒸發(fā)過(guò)程發(fā)展。

  研究人員對(duì)光熱蒸發(fā)后產(chǎn)生的淡水水體也進(jìn)行了質(zhì)量把控，其主要離子脫除率也符合世界衛(wèi)生組織（WHO）所制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使得這一材料體系同時(shí)具有優(yōu)秀的光熱轉(zhuǎn)換利用效率、良好的環(huán)境相容性與生物可降解性，且具備極好的實(shí)際應(yīng)用潛力，對(duì)于高效海水淡化提出了一些新的見(jiàn)解與機(jī)理解釋，同時(shí)拓展了木質(zhì)基材料內(nèi)循環(huán)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(fā)表在Elsevier旗下雜志Chemical Engineering Journal，該論文第一作者為東北林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院2018級(jí)碩士研究生晁偉翔，東北林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院王成毓教授與哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院賀詩(shī)欣教授為該論文共同通訊作者，東北林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院李煜東副教授對(duì)本文工作提供了部分指導(dǎo)意見(jiàn)。該工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目支持。

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