AFM|通过细胞壁工程实现水-能协同生产的全木质蒸发器

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研究背景

由城市化、工业扩张及气候变化所驱动的多重压力正持续加剧全球淡水危机。在此背景下，基于太阳能的淡水生产技术日益受到关注，其中太阳能界面蒸发（SPIE）已成为研究热点。木材因其天然的多孔构造和出色的隔热性能，被认为是太阳能蒸发器的理想候选基底。然而，直接利用天然木材的效果并不理想：一方面，木材本身的光热转换能力较弱；另一方面，木材固有的微结构限制了蒸发界面水分子的活化与快速传输。如何通过精确的微观结构工程突破这些限制，充分释放木材的蒸发潜力，是目前亟待解决的挑战。

基于此，本研究利用响应面法（RSM）精确调控木材细胞壁内纤维素的原位溶解与再生，构建出高效的水传输微纳网络 ，并利用自提取木质素构建高效光热层，旨在开发一种低碳、高效的“产水-产电”一体化全木基蒸发系统。

相关工作以All Wood-Based Evaporator via Cell Wall Regulating for Integrated Water and Energy Generation为题发表在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》 (JCR一区，中科院一区TOP，IF=18.5)上。

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研究内容

本研究通过响应面法（RSM）协同细胞壁工程，实现了木材内部纤维素的原位溶解与再生，在细胞壁内构建出交织的微纳纤维网络以优化水分传输路径 。通过将自提取的木质素作为高性能光热层，该全木基蒸发器（LORW）实现了 91.25% 的光热转换效率，并在 1 个太阳光照下达到 2.07 kg·m-2·h-1 的高蒸发速率。此外，系统利用流动电势原理实现了产水与发电的协同，可产生 254.52 mV 的电压，且全生命周期评估显示其碳排放较石油基材料降低了 30.99%，为实现低碳、可持续的生物质全成分资源化利用提供了新策略 。

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研究数据

图1.LORW的制备过程、光热层与木质基材之间的结合机制、流体势的形成机制以及流体势的收集过程。

图2.(a) 不同条件下制备的RW的蒸发速率。(b) 溶解-再生不充分的RW的SEM图像。(c)ORW的横截面SEM图像。(d) 溶解-再生过度的RW的SEM图像。(e) ORW的吸附和解吸曲线。(f) 不同条件下制备的RW或LORW（RW-30和RW-40分别指在30°C 下溶解并再生6 h的RW和溶解30 h、再生2 h的RW）的FTIR光谱图，(g) ORW和LORW的XPS图谱。

图3.(a) 不同木质素添加量下ORW的蒸发速率。(b) DW、ORW和140 mg-ORW的蒸发速率对比。(c)不同蒸发器中温度变化的对比。

图4.(a) ORW和140 mg-ORW的光吸收情况，以及全球气压1.5级（AM 1.5 G）倾斜太阳光谱的标准化光谱太阳辐照度密度。(b) 100 mg-ORW和140 mg-ORW的接触角变化，(c) ORW 的拉曼光谱，(d) 100 mg-ORW，(e) 140 mg-ORW，(f) 200 mg-ORW，(g) DW和ORW的分子动力学模拟图。(h) 纤维素与水分子之间氢键数量变化的图表。(i) DW和ORW之间的相互作用能量。(j) DSC曲线。

图5.(a) 不同蒸发器的开路电压。(b) 不同蒸发器的短路电流。(c) 流动势的机制。(d) 水层中盐的浓度差异。(e) 同时蒸发和水力发电收集的蒸发速率和开路电压。(f) 同时蒸发和水力发电收集的示意图。(g) 在不同时间段阳光照射下的蒸发速率。(h) 12 h连续蒸发和12轮蒸发。(i)不同盐浓度下水层的蒸发速率。(j) 用20 ppm亚甲蓝溶液净化前后水的吸光度。(k) 蒸发前后水中的金属离子浓度。(l) 与其他文献的对比图表。

图6.(a) 环境影响分析流程示意图。(b) 在制备溶解水（DW）、氧化还原水（ORW）和木质素溶液的过程中，化学物质和能源投入对各类环境影响类别所做出的贡献百分比。(c) 制造低密度水（LDW）和低氧化还原水（LORW）所产生二氧化碳当量的排放量。(d) 在制造LORW的过程中，电力、化学物质及其他因素对二氧化碳当量排放量所做出的贡献百分比。(e) 在制备溶解水、氧化还原水、木质素溶液以及将其整合到LDW和LORW的过程中，化学物质和能源投入对全球变暖潜能值（GWP）所做出的贡献百分比。

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研究结论

本研究成功开发了一种结构工程化的全木基太阳能界面蒸发器（W-SPIE），通过创新的细胞壁工程策略与木质素的价值化利用，实现了高效的淡水生产与电能收集协同。利用响应面法（RSM）精确调控木材内部纤维素的原位溶解与再生，在细胞壁内重构出交织的微纳纤维网络，使材料的比表面积提升了 3.72 倍，显著增强了水分传输效率并降低了蒸发焓。

通过将自提取的木质素作为高性能光热层，该系统实现了 91.25% 的光热转换效率，并在 1 个太阳光照下达到 2.07 kg·m-2·h-1 的高蒸发速率。此外，系统利用流动电势原理和离子浓度梯度，在蒸发过程中同步实现了 254.52 mV 的稳定电压输出，且在 15 wt% 的高盐环境下仍展现出卓越的抗盐结垢能力与净水性能 。全生命周期评估表明，该全木基材料的碳排放较石油基材料降低了 30.99%，为低碳、可持续的生物质全成分资源化利用提供了极具前景的新路径 。

DOI:10.1002/adfm.202519230

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