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近年(nian)來，基(ji)于光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)太(tai)陽(yang)能海水淡化技(ji)術(shu)受到了廣泛關注。不(bu)同于傳(chuan)統的(de)(de)(de)(de)太(tai)陽(yang)能蒸發水技(ji)術(shu)，基(ji)于光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)太(tai)陽(yang)能海水淡化技(ji)術(shu)可通過(guo)光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)材(cai)(cai)料高效(xiao)地將(jiang)太(tai)陽(yang)能轉化為熱(re)(re)能，并將(jiang)產生的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)量(liang)鎖定在(zai)水的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)面，使表(biao)(biao)面水快速加(jia)(jia)熱(re)(re)生成水蒸氣（無(wu)需對整(zheng)體水進行加(jia)(jia)熱(re)(re)），因此其(qi)效(xiao)率(lv)更高。對于這一新技(ji)術(shu)，光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)材(cai)(cai)料及其(qi)結構設計是關鍵(jian)。木材(cai)(cai)由于具有較低的(de)(de)(de)(de)密度（可漂浮在(zai)水面）、內部(bu)富含大量(liang)的(de)(de)(de)(de)水通道以(yi)及低的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)導率(lv)，成為制(zhi)備光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)常(chang)用材(cai)(cai)料之一。

目(mu)前制備木基(ji)光熱材料的方法主要(yao)有(you)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)(hua)是將平整的木材置于高溫(wen)的加熱板上，通過高溫(wen)將接觸面(mian)進行碳化(hua)(hua)。這一(yi)技術需要(yao)較高的溫(wen)度，并且較難實(shi)現不(bu)平整或不(bu)規則木材表面(mian)的均勻碳化(hua)(hua)；此(ci)外，經過高溫(wen)碳化(hua)(hua)后的木材表面(mian)會失去大量的親水基(ji)團，導致其水下抗油黏附性能降低(di)，易被水中(zhong)油滴黏附堵(du)塞(sai)孔道，導致產水性能大幅(fu)降低(di)。

表(biao)面涂層技術是(shi)將(jiang)制備(bei)好的(de)光熱(re)材(cai)料(liao)(liao)涂敷在木材(cai)表(biao)面。常(chang)用(yong)的(de)涂敷材(cai)料(liao)(liao)為炭黑及其他無機(ji)材(cai)料(liao)(liao)，這(zhe)些材(cai)料(liao)(liao)由(you)于和木材(cai)之間沒(mei)有(you)足夠的(de)結合力，容易(yi)在外力作用(yong)下脫(tuo)落。

除了光熱材(cai)料自(zi)身(shen)性質外，光熱材(cai)料的結(jie)構(gou)設計對于提高(gao)(gao)其海(hai)水淡(dan)化性能(neng)也尤(you)為重要：良(liang)好的結(jie)構(gou)設計可以增大光熱材(cai)料表(biao)面積，提高(gao)(gao)光能(neng)利(li)用率，進(jin)而提高(gao)(gao)光熱材(cai)料的產水效(xiao)率。這(zhe)就(jiu)要求制備(bei)木(mu)基光熱材(cai)料的方法(fa)要適用于任意形狀的木(mu)材(cai)，以便于結(jie)構(gou)優化設計。而目前報道的表(biao)面碳化和表(biao)面涂層技術(shu)較難實現這(zhe)一(yi)點。

針對以(yi)上問題，南昌大學王(wang)振興講師和李越湘教(jiao)授(shou)合(he)作開發(fa)了(le)一種(zhong)簡單(dan)溫和且(qie)能將(jiang)(jiang)(jiang)各種(zhong)不(bu)規則形狀木(mu)(mu)材(cai)(cai)(cai)轉變(bian)為光熱材(cai)(cai)(cai)料的(de)新(xin)方法(fa)，相(xiang)關(guan)成果已在NanoEnergy發(fa)表。該方法(fa)只(zhi)需(xu)將(jiang)(jiang)(jiang)木(mu)(mu)材(cai)(cai)(cai)置于(yu)單(dan)寧酸水(shui)溶液中浸泡一段時間(jian)，之后再將(jiang)(jiang)(jiang)單(dan)寧酸處理的(de)木(mu)(mu)材(cai)(cai)(cai)置于(yu)含有三價鐵離(li)子的(de)水(shui)溶液中浸漬，就可將(jiang)(jiang)(jiang)木(mu)(mu)材(cai)(cai)(cai)轉變(bian)為海水(shui)淡化用(yong)的(de)光熱材(cai)(cai)(cai)料，整(zheng)個過程無需(xu)高溫高壓或特殊設(she)備，綠色環(huan)保，且(qie)適(shi)用(yong)于(yu)任意形狀的(de)木(mu)(mu)材(cai)(cai)(cai)。

本文研(yan)究(jiu)重點在(zai)于通過簡單、溫和、普(pu)適的方法制備木基光(guang)熱(re)材(cai)料，并詳細研(yan)究(jiu)闡述(shu)該方法在(zai)提高木基光(guang)熱(re)材(cai)料綜合(he)性能方面的獨(du)特優勢。

圖(tu)1：制備木(mu)基光(guang)(guang)(guang)熱材(cai)料的(de)示意圖(tu)、所得(de)木(mu)基光(guang)(guang)(guang)熱材(cai)料的(de)穩定(ding)性、基于該方法實現木(mu)基光(guang)(guang)(guang)熱材(cai)料的(de)結(jie)構設計(ji)。

一、研究內容：

1、該方法對各種木材的普適性及機理

該(gai)方法通過簡單(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)單(dan)(dan)(dan)(dan)寧酸(suan)處(chu)理及后續三(san)價(jia)鐵(tie)離(li)子(zi)處(chu)理可將各種(zhong)常(chang)見木(mu)(mu)頭（1.櫸(ju)木(mu)(mu)、2.杉木(mu)(mu)、3.松木(mu)(mu)、4.柳木(mu)(mu)、5.橡木(mu)(mu)、6.楊木(mu)(mu)、7.柘木(mu)(mu)）轉變(bian)為光(guang)熱(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)。對比試(shi)驗表明，該(gai)方法對其他高分子(zi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)如聚丙烯膜，聚酯布(bu)料(liao)(liao)(liao)和聚氨酯海綿等無效；此外，單(dan)(dan)(dan)(dan)獨的(de)(de)單(dan)(dan)(dan)(dan)寧酸(suan)和單(dan)(dan)(dan)(dan)獨的(de)(de)三(san)價(jia)鐵(tie)離(li)子(zi)也無法將大部分木(mu)(mu)材(cai)(cai)轉變(bian)為光(guang)熱(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)。有意思(si)的(de)(de)是：對于柘木(mu)(mu)而言(yan)，單(dan)(dan)(dan)(dan)獨的(de)(de)三(san)價(jia)鐵(tie)離(li)子(zi)處(chu)理就可將其變(bian)為光(guang)熱(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)。

圖(tu)2：利用該(gai)方法(fa)將(jiang)各種常見木材(cai)轉變(bian)為光熱材(cai)料(liao)、該(gai)方法(fa)對非木制材(cai)料(liao)無效、單獨用三(san)價(jia)鐵(tie)離子處理(li)木材(cai)無效果（柘木除外(wai)）。注：對比試驗是為了更好地理(li)解該(gai)方法(fa)的(de)改性機理(li)。

為(wei)了闡明(ming)木(mu)(mu)材(cai)變黑的(de)機理，作者以楊木(mu)(mu)為(wei)例，進一(yi)步對其表(biao)(biao)面(mian)形(xing)貌和化學組成進行(xing)了表(biao)(biao)征。經過處理后(hou)的(de)楊木(mu)(mu)在形(xing)貌上(shang)與原楊木(mu)(mu)無(wu)明(ming)顯區別，但XPS和ATR-FTIR表(biao)(biao)明(ming)改(gai)性后(hou)的(de)木(mu)(mu)材(cai)表(biao)(biao)面(mian)修飾上(shang)了單(dan)寧(ning)酸(suan)和三價鐵離子(zi)。

結合(he)對比試驗，作(zuo)者(zhe)推測了其改性機理：木材(cai)中的(de)木質素和纖(xian)維素含有大量的(de)羥(qian)基，且(qie)具有豐(feng)富的(de)孔道和多級(ji)結構，其可(ke)以(yi)牢固地結合(he)大量的(de)單(dan)寧(ning)酸(suan)(suan)分子，這些單(dan)寧(ning)酸(suan)(suan)分子可(ke)以(yi)與三價鐵離子配位形成大量絡(luo)合(he)物(wu)，絡(luo)合(he)物(wu)內的(de)d-d躍遷與木材(cai)表(biao)面(mian)的(de)多級(ji)結構最終(zhong)使(shi)木材(cai)表(biao)面(mian)變黑，成為(wei)良好的(de)光(guang)熱(re)材(cai)料(liao)。

對(dui)(dui)于柘木(mu)而言，其(qi)(qi)自(zi)身(shen)內部(bu)本就(jiu)含(han)有大量的單(dan)寧類物質，因此(ci)其(qi)(qi)直接(jie)用三價(jia)鐵離子(zi)處理(li)就(jiu)可以變(bian)黑(hei)；而其(qi)(qi)他木(mu)材(cai)自(zi)身(shen)所含(han)單(dan)寧類物質較少，單(dan)獨的三價(jia)鐵離子(zi)處理(li)只(zhi)會使(shi)顏色變(bian)深(shen)，而無(wu)法(fa)變(bian)黑(hei)。對(dui)(dui)于聚丙烯等高分(fen)子(zi)材(cai)料，其(qi)(qi)表面化學(xue)惰性，單(dan)寧酸較難修飾在其(qi)(qi)表面（文中已通過XPS等證明），因此(ci)該方法(fa)無(wu)法(fa)使(shi)其(qi)(qi)變(bian)黑(hei)。

圖3：楊木（斷面(mian)，垂(chui)直于其生(sheng)長(chang)方(fang)向）改性前(qian)后的(de)電子(zi)顯微鏡圖像、X射線光電子(zi)能譜(pu)分析、傅里葉(xie)全反射紅外(wai)光譜(pu)、木材表面(mian)單寧酸與三(san)價鐵離子(zi)絡合示意(yi)圖、木材變黑(hei)的(de)關(guan)鍵(jian)因素

2、木基光熱材料的性能

所(suo)得木基光熱(re)(re)材(cai)(cai)料在寬波長范圍內表現出高(gao)的光吸收(shou)（這對于(yu)(yu)提高(gao)材(cai)(cai)料光熱(re)(re)效率很重要(yao)），并且具有超(chao)親(qin)水(shui)和水(shui)下超(chao)疏(shu)油性（有利于(yu)(yu)賦予材(cai)(cai)料水(shui)下抗油黏附性）。此(ci)外，該方(fang)法處(chu)理后的木基光熱(re)(re)材(cai)(cai)料仍(reng)保(bao)持良好的水(shui)傳(chuan)輸性能。

圖4：木基(ji)光(guang)熱材料(liao)的光(guang)吸(xi)收(shou)、親水性及(ji)水下超疏油性、水傳輸性

作者們進一步(bu)研究(jiu)了(le)所得木基(ji)光熱材料(liao)在(zai)1kWm-2下(xia)的(de)水蒸發速率(lv)(lv)及(ji)能(neng)量(liang)效率(lv)(lv)。所得木基(ji)光熱材料(liao)中，楊木基(ji)光熱材料(liao)具(ju)有最高的(de)蒸發速率(lv)(lv)（1.34kgm-2h-1），對應的(de)能(neng)量(liang)效率(lv)(lv)達到90%左右。這表明(ming)木基(ji)光熱材料(liao)的(de)性能(neng)可通(tong)過(guo)選擇合適木材進行優(you)化提高。此(ci)外，作者進一步(bu)研究(jiu)了(le)楊木基(ji)光熱材料(liao)的(de)海水淡化性能(neng)，該木基(ji)光熱材料(liao)所收集水中各離子的(de)濃度均下(xia)降(jiang)了(le)3個(ge)數量(liang)級，高于世界(jie)衛生(sheng)組織的(de)飲用水標準。