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近年來，基于光(guang)(guang)熱(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)太陽(yang)能海水(shui)(shui)淡(dan)化技(ji)(ji)術受到(dao)了廣(guang)泛關注。不同于傳(chuan)統的(de)(de)(de)太陽(yang)能蒸發水(shui)(shui)技(ji)(ji)術，基于光(guang)(guang)熱(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)太陽(yang)能海水(shui)(shui)淡(dan)化技(ji)(ji)術可(ke)通(tong)過光(guang)(guang)熱(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)高效(xiao)地將太陽(yang)能轉化為(wei)熱(re)(re)能，并將產(chan)生的(de)(de)(de)熱(re)(re)量鎖(suo)定在(zai)水(shui)(shui)的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)，使(shi)表(biao)面(mian)水(shui)(shui)快(kuai)速(su)加熱(re)(re)生成水(shui)(shui)蒸氣（無需對整體水(shui)(shui)進行加熱(re)(re)），因此其(qi)效(xiao)率(lv)更高。對于這一(yi)新技(ji)(ji)術，光(guang)(guang)熱(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)及其(qi)結構設計是(shi)關鍵。木(mu)材(cai)(cai)由于具(ju)有較低的(de)(de)(de)密度（可(ke)漂浮在(zai)水(shui)(shui)面(mian)）、內部富(fu)含大量的(de)(de)(de)水(shui)(shui)通(tong)道(dao)以及低的(de)(de)(de)熱(re)(re)導(dao)率(lv)，成為(wei)制備光(guang)(guang)熱(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)常用材(cai)(cai)料(liao)(liao)之(zhi)一(yi)。

目前(qian)制備(bei)木基光熱(re)材料的方法(fa)主(zhu)要有兩種：一種是表面(mian)碳化；另一種是表面(mian)涂層。

表面(mian)碳化(hua)是將(jiang)平(ping)(ping)整的(de)(de)木材(cai)(cai)置于高(gao)溫(wen)的(de)(de)加熱板上，通過高(gao)溫(wen)將(jiang)接觸面(mian)進行碳化(hua)。這一技術需要較(jiao)高(gao)的(de)(de)溫(wen)度，并且較(jiao)難實現不(bu)平(ping)(ping)整或不(bu)規則木材(cai)(cai)表面(mian)的(de)(de)均勻碳化(hua)；此(ci)外(wai)，經(jing)過高(gao)溫(wen)碳化(hua)后的(de)(de)木材(cai)(cai)表面(mian)會(hui)失去大(da)量的(de)(de)親水基團，導(dao)致其水下抗油(you)黏(nian)附(fu)性能(neng)降(jiang)低(di)，易被(bei)水中油(you)滴黏(nian)附(fu)堵塞(sai)孔道，導(dao)致產水性能(neng)大(da)幅(fu)降(jiang)低(di)。

表(biao)面涂層技術是將制備好的光熱材料(liao)(liao)涂敷在木材表(biao)面。常用的涂敷材料(liao)(liao)為炭黑及其他無機材料(liao)(liao)，這(zhe)些材料(liao)(liao)由于和木材之(zhi)間沒(mei)有足夠的結合力，容易在外力作用下脫落(luo)。

除了光(guang)熱材(cai)料自身性(xing)質外，光(guang)熱材(cai)料的(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)設(she)計(ji)對于(yu)(yu)提(ti)高(gao)其海水淡化(hua)(hua)性(xing)能也尤為重要(yao)：良好的(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)設(she)計(ji)可以(yi)增(zeng)大光(guang)熱材(cai)料表面(mian)積，提(ti)高(gao)光(guang)能利用(yong)率(lv)，進而提(ti)高(gao)光(guang)熱材(cai)料的(de)(de)產水效率(lv)。這(zhe)就要(yao)求制(zhi)備木基(ji)光(guang)熱材(cai)料的(de)(de)方法要(yao)適用(yong)于(yu)(yu)任意形狀的(de)(de)木材(cai)，以(yi)便(bian)于(yu)(yu)結(jie)構(gou)(gou)優化(hua)(hua)設(she)計(ji)。而目(mu)前報道的(de)(de)表面(mian)碳化(hua)(hua)和表面(mian)涂層技(ji)術較(jiao)難實(shi)現這(zhe)一點(dian)。

針對(dui)以上問(wen)題，南昌大學王(wang)振(zhen)興(xing)講師和李越湘(xiang)教授合作開發(fa)了一種簡單(dan)溫(wen)和且(qie)能將(jiang)各種不規則(ze)形狀(zhuang)木(mu)材(cai)轉變為光熱材(cai)料(liao)(liao)的(de)新方法，相(xiang)關成果已(yi)在NanoEnergy發(fa)表。該方法只需將(jiang)木(mu)材(cai)置(zhi)于單(dan)寧酸水(shui)(shui)溶液(ye)中浸泡一段時間，之后再將(jiang)單(dan)寧酸處理的(de)木(mu)材(cai)置(zhi)于含有三價(jia)鐵離子的(de)水(shui)(shui)溶液(ye)中浸漬(zi)，就可將(jiang)木(mu)材(cai)轉變為海水(shui)(shui)淡化(hua)用(yong)的(de)光熱材(cai)料(liao)(liao)，整個(ge)過(guo)程無需高溫(wen)高壓(ya)或特(te)殊設備，綠色(se)環(huan)保(bao)，且(qie)適用(yong)于任意形狀(zhuang)的(de)木(mu)材(cai)。

本文研(yan)究重點在于(yu)通過簡單、溫和(he)、普適的方(fang)法制備木基光熱材(cai)料(liao)，并詳細研(yan)究闡(chan)述該方(fang)法在提高木基光熱材(cai)料(liao)綜(zong)合性能方(fang)面的獨(du)特(te)優勢(shi)。

圖1：制備木(mu)基(ji)光熱(re)材料(liao)(liao)的(de)示意圖、所得(de)木(mu)基(ji)光熱(re)材料(liao)(liao)的(de)穩定(ding)性、基(ji)于該方法實現木(mu)基(ji)光熱(re)材料(liao)(liao)的(de)結構設計。

一、研究內容：

1、該方法對各種木材的普適性及機理

該(gai)方法(fa)通過簡(jian)單的(de)(de)單寧(ning)酸處理及后續三(san)價鐵(tie)離(li)子(zi)(zi)處理可(ke)將(jiang)各(ge)種(zhong)常見木(mu)頭（1.櫸木(mu)、2.杉木(mu)、3.松木(mu)、4.柳木(mu)、5.橡木(mu)、6.楊木(mu)、7.柘木(mu)）轉變為光熱材料(liao)。對比(bi)試(shi)驗表明，該(gai)方法(fa)對其他高分(fen)子(zi)(zi)材料(liao)如聚丙烯(xi)膜(mo)，聚酯(zhi)布料(liao)和聚氨酯(zhi)海綿等無(wu)(wu)效；此外，單獨(du)(du)的(de)(de)單寧(ning)酸和單獨(du)(du)的(de)(de)三(san)價鐵(tie)離(li)子(zi)(zi)也無(wu)(wu)法(fa)將(jiang)大部分(fen)木(mu)材轉變為光熱材料(liao)。有意(yi)思的(de)(de)是：對于柘木(mu)而言，單獨(du)(du)的(de)(de)三(san)價鐵(tie)離(li)子(zi)(zi)處理就(jiu)可(ke)將(jiang)其變為光熱材料(liao)。

圖2：利用該(gai)方(fang)法(fa)將各種常見木(mu)材轉變為(wei)光熱(re)材料(liao)、該(gai)方(fang)法(fa)對非木(mu)制材料(liao)無效(xiao)、單獨用三價鐵離(li)子處理(li)木(mu)材無效(xiao)果（柘(zhe)木(mu)除外(wai)）。注：對比試驗是為(wei)了更(geng)好地理(li)解該(gai)方(fang)法(fa)的改(gai)性機(ji)理(li)。

為了(le)(le)闡明(ming)木材(cai)變黑(hei)的(de)機理(li)，作者以楊(yang)(yang)木為例，進一(yi)步對(dui)其表(biao)面(mian)(mian)形(xing)(xing)貌和化(hua)學組成(cheng)進行了(le)(le)表(biao)征。經過(guo)處(chu)理(li)后的(de)楊(yang)(yang)木在形(xing)(xing)貌上與原楊(yang)(yang)木無明(ming)顯區別(bie)，但XPS和ATR-FTIR表(biao)明(ming)改性(xing)后的(de)木材(cai)表(biao)面(mian)(mian)修飾上了(le)(le)單寧酸和三價鐵離子(zi)。

結(jie)合(he)對比試(shi)驗，作者推測(ce)了(le)其改性(xing)機理：木材(cai)中的(de)(de)木質素和纖維素含有(you)大(da)量的(de)(de)羥(qian)基，且(qie)具有(you)豐(feng)富(fu)的(de)(de)孔道(dao)和多級(ji)結(jie)構，其可以牢固地(di)結(jie)合(he)大(da)量的(de)(de)單寧酸(suan)分子，這(zhe)些(xie)單寧酸(suan)分子可以與三價鐵離子配位形成(cheng)大(da)量絡合(he)物，絡合(he)物內的(de)(de)d-d躍遷與木材(cai)表(biao)面(mian)的(de)(de)多級(ji)結(jie)構最終使木材(cai)表(biao)面(mian)變黑，成(cheng)為良(liang)好的(de)(de)光熱材(cai)料。

對(dui)于(yu)柘木而言，其自身內部本就含有(you)大量的單(dan)(dan)寧類(lei)(lei)物質(zhi)，因此(ci)其直(zhi)接用三(san)(san)價鐵離子(zi)處理(li)就可(ke)以(yi)變(bian)黑；而其他(ta)木材自身所含單(dan)(dan)寧類(lei)(lei)物質(zhi)較少，單(dan)(dan)獨的三(san)(san)價鐵離子(zi)處理(li)只會使(shi)顏色變(bian)深，而無法(fa)(fa)變(bian)黑。對(dui)于(yu)聚丙(bing)烯等(deng)高分子(zi)材料，其表面化學惰性，單(dan)(dan)寧酸(suan)較難修飾在其表面（文中已通過XPS等(deng)證明），因此(ci)該方法(fa)(fa)無法(fa)(fa)使(shi)其變(bian)黑。

圖(tu)3：楊(yang)木（斷面(mian)，垂直于(yu)其生長方(fang)向）改性(xing)前后(hou)的電子顯微鏡圖(tu)像、X射線光電子能譜分析(xi)、傅里葉全反(fan)射紅(hong)外光譜、木材表(biao)面(mian)單寧(ning)酸與三(san)價鐵離子絡合示意圖(tu)、木材變黑的關(guan)鍵因素(su)

2、木基光熱材料的性能

所得木(mu)基(ji)光(guang)熱(re)材(cai)料在寬波(bo)長范圍內表現出高的(de)(de)光(guang)吸收(shou)（這對于提高材(cai)料光(guang)熱(re)效率很(hen)重要），并(bing)且具(ju)有超親水(shui)和水(shui)下超疏油性（有利(li)于賦(fu)予材(cai)料水(shui)下抗油黏附性）。此外，該(gai)方法處理后的(de)(de)木(mu)基(ji)光(guang)熱(re)材(cai)料仍保持良好的(de)(de)水(shui)傳(chuan)輸性能(neng)。

圖4：木基光(guang)熱材料(liao)的光(guang)吸收(shou)、親水性及水下超疏油性、水傳輸性

作(zuo)者們進(jin)一(yi)步(bu)研(yan)究了(le)(le)所得(de)木基(ji)光(guang)熱(re)材(cai)(cai)料在1kWm-2下的(de)(de)水蒸發(fa)速(su)率(lv)及(ji)能量效(xiao)率(lv)。所得(de)木基(ji)光(guang)熱(re)材(cai)(cai)料中(zhong)，楊木基(ji)光(guang)熱(re)材(cai)(cai)料具有最(zui)高(gao)的(de)(de)蒸發(fa)速(su)率(lv)（1.34kgm-2h-1），對應的(de)(de)能量效(xiao)率(lv)達到90%左右。這表明木基(ji)光(guang)熱(re)材(cai)(cai)料的(de)(de)性(xing)能可通過選擇(ze)合適木材(cai)(cai)進(jin)行(xing)優化(hua)提(ti)高(gao)。此外，作(zuo)者進(jin)一(yi)步(bu)研(yan)究了(le)(le)楊木基(ji)光(guang)熱(re)材(cai)(cai)料的(de)(de)海水淡化(hua)性(xing)能，該木基(ji)光(guang)熱(re)材(cai)(cai)料所收集(ji)水中(zhong)各離子的(de)(de)濃(nong)度均下降了(le)(le)3個數(shu)量級，高(gao)于(yu)世界(jie)衛(wei)生組(zu)織的(de)(de)飲用水標準。