一、研究背景：

安全飲用水的短缺是目前面臨的一個全球性問題，尤其是在偏遠貧困地區(qū)。近年來，基于光熱材料的太陽能海水淡化技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。不同于傳統(tǒng)的太陽能蒸發(fā)水技術(shù)，基于光熱材料的太陽能海水淡化技術(shù)可通過光熱材料高效地將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，并將產(chǎn)生的熱量鎖定在水的表面，使表面水快速加熱生成水蒸氣（無需對整體水進行加熱），因此其效率更高。對于這一新技術(shù)，光熱材料及其結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵。木材由于具有較低的密度（可漂浮在水面）、內(nèi)部富含大量的水通道以及低的熱導率，成為制備光熱材料的常用材料之一。

關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

目前制備木基光熱材料的方法主要有兩種：一種是表面碳化；另一種是表面涂層。表面碳化是將平整的木材置于高溫的加熱板上，通過高溫將接觸面進行碳化。這一技術(shù)需要較高的溫度，并且較難實現(xiàn)不平整或不規(guī)則木材表面的均勻碳化；此外，經(jīng)過高溫碳化后的木材表面會失去大量的親水基團，導致其水下抗油黏附性能降低，易被水中油滴黏附堵塞孔道，導致產(chǎn)水性能大幅降低。表面涂層技術(shù)是將制備好的光熱材料涂敷在木材表面。常用的涂敷材料為炭黑及其他無機材料，這些材料由于和木材之間沒有足夠的結(jié)合力，容易在外力作用下脫落。

除了光熱材料自身性質(zhì)外，光熱材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計對于提高其海水淡化性能也尤為重要：良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以增大光熱材料表面積，提高光能利用率，進而提高光熱材料的產(chǎn)水效率。這就要求制備木基光熱材料的方法要適用于任意形狀的木材，以便于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。而目前報道的表面碳化和表面涂層技術(shù)較難實現(xiàn)這一點。

二、研究的出發(fā)點：

針對以上問題，南昌大學王振興講師和李越湘教授合作開發(fā)了一種簡單溫和且能將各種不規(guī)則形狀木材轉(zhuǎn)變?yōu)楣鉄岵牧系男路椒ǎ嚓P(guān)成果已在Nano Energy發(fā)表。該方法只需將木材置于單寧酸水溶液中浸泡一段時間，之后再將單寧酸處理的木材置于含有三價鐵離子的水溶液中浸漬，就可將木材轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｋ玫墓鉄岵牧?，整個過程無需高溫高壓或特殊設(shè)備，綠色環(huán)保，且適用于任意形狀的木材。本文研究重點在于通過簡單、溫和、普適的方法制備木基光熱材料，并詳細研究闡述該方法在提高木基光熱材料綜合性能方面的獨特優(yōu)勢。

圖1 制備木基光熱材料的示意圖、所得木基光熱材料的穩(wěn)定性、基于該方法實現(xiàn)木基光熱材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

三、研究內(nèi)容：

1、該方法對各種木材的普適性及機理

該方法通過簡單的單寧酸處理及后續(xù)三價鐵離子處理可將各種常見木頭（1.櫸木、2. 杉木、3.松木、4.柳木、5.橡木、6.楊木、7. 柘木）轉(zhuǎn)變?yōu)楣鉄岵牧?。對比試驗表明，該方法對其他高分子材料如聚丙烯膜，聚酯布料和聚氨酯海綿等無效；此外，單獨的單寧酸和單獨的三價鐵離子也無法將大部分木材轉(zhuǎn)變?yōu)楣鉄岵牧?。有意思的是：對于柘木而言，單獨的三價鐵離子處理就可將其變?yōu)楣鉄岵牧稀?/p>

圖2 利用該方法將各種常見木材轉(zhuǎn)變?yōu)楣鉄岵牧?、該方法對非木制材料無效、單獨用三價鐵離子處理木材無效果（柘木除外）。注：對比試驗是為了更好地理解該方法的改性機理。

為了闡明木材變黑的機理，作者以楊木為例，進一步對其表面形貌和化學組成進行了表征。經(jīng)過處理后的楊木在形貌上與原楊木無明顯區(qū)別，但XPS和ATR-FTIR表明改性后的木材表面修飾上了單寧酸和三價鐵離子。結(jié)合對比試驗，作者推測了其改性機理：木材中的木質(zhì)素和纖維素含有大量的羥基，且具有豐富的孔道和多級結(jié)構(gòu)，其可以牢固地結(jié)合大量的單寧酸分子，這些單寧酸分子可以與三價鐵離子配位形成大量絡(luò)合物，絡(luò)合物內(nèi)的d-d躍遷與木材表面的多級結(jié)構(gòu)最終使木材表面變黑，成為良好的光熱材料。對于柘木而言，其自身內(nèi)部本就含有大量的單寧類物質(zhì)，因此其直接用三價鐵離子處理就可以變黑；而其他木材自身所含單寧類物質(zhì)較少，單獨的三價鐵離子處理只會使顏色變深，而無法變黑。對于聚丙烯等高分子材料，其表面化學惰性，單寧酸較難修飾在其表面（文中已通過XPS等證明），因此該方法無法使其變黑。

圖3 楊木（斷面，垂直于其生長方向）改性前后的電子顯微鏡圖像、X射線光電子能譜分析、傅里葉全反射紅外光譜、木材表面單寧酸與三價鐵離子絡(luò)合示意圖、木材變黑的關(guān)鍵因素

2、木基光熱材料的性能

所得木基光熱材料在寬波長范圍內(nèi)表現(xiàn)出高的光吸收（這對于提高材料光熱效率很重要），并且具有超親水和水下超疏油性（有利于賦予材料水下抗油黏附性）。此外，該方法處理后的木基光熱材料仍保持良好的水傳輸性能。

圖4 木基光熱材料的光吸收、親水性及水下超疏油性、水傳輸性

作者們進一步研究了所得木基光熱材料在1 kWm-2下的水蒸發(fā)速率及能量效率。所得木基光熱材料中，楊木基光熱材料具有最高的蒸發(fā)速率（1.34 kgm-2h-1），對應的能量效率達到90%左右。這表明木基光熱材料的性能可通過選擇合適木材進行優(yōu)化提高。此外，作者進一步研究了楊木基光熱材料的海水淡化性能，該木基光熱材料所收集水中各離子的濃度均下降了3個數(shù)量級，高于世界衛(wèi)生組織的飲用水標準。

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