天然木材因其丰富性、亲水性和多孔结构，被认为是界面太阳能蒸发器(ISSG)优良的基底材料。但仍存在一些挑战限制木材基太阳能蒸发器的水蒸发速率。一方面，由于木材的孔结构较小且致密，天然木材的水含量仅为1-1.7 g g^-1远低于水凝胶材料的5-10 g g^-1，限制了蒸发过程中的水供应。另一方面，由于水分子之间广泛的氢键网络，木材内部水的蒸发焓保持在较高的水平。这些缺点最终导致木材基蒸发器的蒸发速率较低(<1-3 kg m^-2 h^-1)。

  近日，贵州大学化学与化工学院谢远鹏/吕梦岚教授团队利用天然木材，开发了一种兼具高毛细水含量和低蒸发焓的高效木材基太阳能蒸发器。通过去除木材中的相对疏水的木质素和半纤维素，扩大了木材的孔径；然后将磺酸基团接枝到木材表面，以削弱水分子之间的氢键作用，从而降低蒸发焓。优化后的木材表现出6.5 g g^-1的水吸收率和1197 J g^-1的低蒸发焓，优于天然木材（1.2 g g^-1 和 1800 J g^-1）。分子动力学模拟表明，磺化木材表面包含丰富的氢键位点，这在热力学上增强了水分子逃逸的行为。因此，优化的木材蒸发器在1个太阳光辐射下表现出高达3.4 kg m^-2 h^-1的蒸发速率和97.2%的光热转换效率。

  相关成果以“Natural Wood with Optimal Capillary Water Content and Evaporation Enthalpy for Efficient Interfacial Solar Steam Generation”为题，在国际期刊《Materials Horizons》（中科院二区，IF=12.2）上发表，文章通讯作者为贵州大学化学与化工学院谢远鹏特聘教授，第一作者为贵州大学2022级硕士研究生田茂松。

图1.样品的制作过程和表面形态。a) S-wood的合成和制作过程。N-wood、E-wood、S-wood的扫描电镜（SEM）图像，分别为b-d）顶视图和e-g）横截面视图。

图2. N-wood、E-wood和S-wood的化学结构和亲水性特征。a) FT-IR光谱，b) 宽扫描XPS，c) S 2p光谱（S-wood），d) 水接触角，e) 水吸收率，f) 水蒸发焓。

图3. MD模拟不同平衡过程的图示：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，分别在0 ps和1000 ps时的状态。彩色放大图显示了界面水分子密度的分布（红色表示低密度）。d) 统计了在N-wood、E-wood和S-wood表面1000个水分子之间形成的氢键数量。e) 水分子与N-wood、E-wood和S-wood之间的范德华相互作用。

图4. 太阳能蒸发性能：a) 太阳能蒸发S-wood的示意图和图片；b) AM1.5G太阳光谱与竹炭黑的吸收特性；c) 三种蒸发器在1个太阳照射下的质量变化曲线；d) 最大表面温度曲线随照射时间的变化；e) S-wood的循环稳定性；f) 本研究结果与文献中其他研究的水蒸发速率和效率比较。

图5. S-wood基ISSG的户外性能。a) 太阳能蒸发器的户外测试设备；b) 环境湿度和温度曲线；c) 户外太阳能淡化过程中水的质量随时间的变化，并监测阳光强度；d-e) 净化前后刚果红和亚甲基蓝的吸收光谱；f) 淡化前后的离子浓度。

  本研究通过蚀刻木材成分并加入特殊官能团，成功制备了具有高性能的太阳能蒸发器的分层多孔木基基材。这些区域不仅促成了层级多孔结构的形成，从而增强了水分运输动力学，还调控了水的活化状态，从而减少了水蒸发所需的能量，这一过程通过理论模拟和实验验证得到了证明。通过合理调节亲水性和疏水性化学成分，达到了高达3.4 kg m^-2 h^-1的水蒸发速率，并且在单日照下对应的效率可达到97.2%，这是迄今为止报告的最高值之一。更重要的是，基于磺化木材的蒸发器不仅表现出在海水中良好的的盐分去除能力和稳定性，而且在去除更浓的盐水和污水中的染料方面也表现出优异的性能。此研究表明，木材是太阳能蒸发器的非常有情景的候选材料，并为高效蒸发器的制备提供了有效的策略。

  文献来源：https://doi.org/10.1039/D5MH00394F