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淡水(shui)資(zi)(zi)源(yuan)短缺一(yi)直是困擾限制當今世(shi)界可(ke)持(chi)續發展的(de)(de)主要因(yin)素(su)，相(xiang)較于(yu)日漸緊張的(de)(de)內陸湖泊江河等(deng)淡水(shui)資(zi)(zi)源(yuan)，海洋水(shui)體占據了世(shi)界上(shang)絕大部分的(de)(de)水(shui)資(zi)(zi)源(yuan)儲量(liang)，因(yin)此將海洋水(shui)體轉(zhuan)化為可(ke)加以利用的(de)(de)淡水(shui)資(zi)(zi)源(yuan)，近(jin)年(nian)來受到研究人員的(de)(de)普遍(bian)關注；相(xiang)較于(yu)傳(chuan)統的(de)(de)大規模海水(shui)淡化工藝(yi)如多級閃蒸(zheng)(zheng)、反滲透等(deng)，太陽(yang)能蒸(zheng)(zheng)發因(yin)其合理地(di)利用可(ke)再生太陽(yang)能能源(yuan)，低(di)成本、低(di)場地(di)限制、經濟高(gao)效等(deng)優勢，漸漸成為極(ji)具應(ying)用前景(jing)的(de)(de)海水(shui)淡化手(shou)段。

但(dan)是近(jin)年(nian)來的(de)(de)相(xiang)關研究普(pu)遍采用(yong)了一種光(guang)熱(re)蒸(zheng)發(fa)材(cai)(cai)料(liao)與(yu)海洋(yang)水(shui)體(ti)“緊密接觸”的(de)(de)適用(yong)方式，這種接觸方式會(hui)使得光(guang)熱(re)轉(zhuan)換產生的(de)(de)熱(re)量有很大(da)一部(bu)分作為熱(re)損失而傳遞至(zhi)主體(ti)水(shui)相(xiang)中(zhong)，造(zao)成光(guang)熱(re)蒸(zheng)發(fa)的(de)(de)光(guang)能(neng)利(li)用(yong)率普(pu)遍不高；同時(shi)(shi)，常規應用(yong)的(de)(de)多(duo)孔蒸(zheng)發(fa)材(cai)(cai)料(liao)介質多(duo)為環境相(xiang)容性較差(cha)的(de)(de)人造(zao)材(cai)(cai)料(liao)，在(zai)海水(shui)蒸(zheng)發(fa)淡化(hua)過程中(zhong)容易(yi)造(zao)成水(shui)體(ti)二(er)次污染，同時(shi)(shi)其在(zai)使用(yong)之后的(de)(de)降解也(ye)會(hui)對水(shui)體(ti)環境造(zao)成一定影響(xiang)。

圖(tu)1.(a)天(tian)然木(mu)(mu)材中太陽(yang)能驅動蒸(zheng)發(fa)系統圖(tu)解和與(yu)天(tian)然木(mu)(mu)材制作還原氧(yang)化(hua)(hua)石(shi)(shi)(shi)墨烯(xi)修(xiu)飾(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材氣(qi)凝(ning)膠示意圖(tu)。(b)非直接接觸蒸(zheng)發(fa)系統圖(tu)示，海水由(you)還原氧(yang)化(hua)(hua)石(shi)(shi)(shi)墨烯(xi)修(xiu)飾(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材氣(qi)凝(ning)膠的(de)(de)(de)(de)毛(mao)細(xi)作用力(li)定向收集的(de)(de)(de)(de)。還原氧(yang)化(hua)(hua)石(shi)(shi)(shi)墨烯(xi)修(xiu)飾(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材氣(qi)凝(ning)膠在表面進(jin)(jin)行光(guang)熱轉換并(bing)誘導蒸(zheng)發(fa)，同時還原氧(yang)化(hua)(hua)石(shi)(shi)(shi)墨烯(xi)修(xiu)飾(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材氣(qi)凝(ning)膠在空氣(qi)區進(jin)(jin)行自然對流(liu)。(c)利(li)用還原氧(yang)化(hua)(hua)石(shi)(shi)(shi)墨烯(xi)修(xiu)飾(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材氣(qi)凝(ning)膠纖維的(de)(de)(de)(de)毛(mao)細(xi)管力(li)定向收集海水。(d)光(guang)熱轉換與(yu)自然對流(liu)的(de)(de)(de)(de)協同促進(jin)(jin)蒸(zheng)發(fa)示意圖(tu)。

基于上述實際應用(yong)需求與當前研(yan)究存在(zai)的(de)問題，研(yan)究人員利用(yong)天然木材纖(xian)維定(ding)向(xiang)排列的(de)結構(gou)特(te)點，通(tong)過選擇性去除木質素(su)、半(ban)纖(xian)維素(su)后(hou)，制備(bei)得到了(le)同時能夠(gou)定(ding)向(xiang)高(gao)(gao)效收集(ji)海(hai)水且可彎折卷曲(qu)的(de)木材衍生(sheng)天然氣凝膠材料，其表面修(xiu)飾光熱涂層后(hou)能夠(gou)高(gao)(gao)效地(di)進行光熱轉換激發的(de)海(hai)水蒸發。

在此基礎之上，研究人員獨辟蹊徑地(di)將這(zhe)種(zhong)材(cai)料(liao)(liao)設計成(cheng)一種(zhong)“非直(zhi)接(jie)接(jie)觸(chu)式(shi)”的(de)(de)懸掛式(shi)太陽能(neng)(neng)海(hai)水蒸(zheng)(zheng)發(fa)器件，將可彎折的(de)(de)木(mu)材(cai)氣凝膠(jiao)材(cai)料(liao)(liao)做成(cheng)了(le)“連(lian)接(jie)橋”式(shi)的(de)(de)結構，懸掛在海(hai)水水槽之間，進而避免了(le)光(guang)熱蒸(zheng)(zheng)發(fa)材(cai)料(liao)(liao)與(yu)水相緊密接(jie)觸(chu)造成(cheng)的(de)(de)熱損失(shi)與(yu)光(guang)能(neng)(neng)利(li)用(yong)(yong)率(lv)(lv)的(de)(de)下(xia)(xia)降(jiang)；利(li)用(yong)(yong)這(zhe)種(zhong)方式(shi)，“連(lian)接(jie)橋”式(shi)的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)發(fa)期間能(neng)(neng)夠在一個自(zi)然光(guang)強度（1kW·m-2）下(xia)(xia)實現1.351kg·m-2·h-1的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)發(fa)速率(lv)(lv)，同(tong)時光(guang)熱轉換利(li)用(yong)(yong)率(lv)(lv)高達90.89%，相較于傳統的(de)(de)“緊密接(jie)觸(chu)”式(shi)太陽能(neng)(neng)蒸(zheng)(zheng)發(fa)，極大地(di)提(ti)升了(le)光(guang)能(neng)(neng)利(li)用(yong)(yong)率(lv)(lv)。

圖(tu)(tu)2.(a,b,c)天然木材(cai)(cai)、木材(cai)(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠(jiao)與還原(yuan)(yuan)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)木材(cai)(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠(jiao)形貌，隨后依次對應(ying)其各(ge)自(zi)XY、XZ、YZ平(ping)面(mian)的(de)(de)(de)掃描電子(zi)顯(xian)微(wei)鏡(jing)圖(tu)(tu)像。(d,e)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)和(he)還原(yuan)(yuan)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)的(de)(de)(de)高分辨透射電鏡(jing)圖(tu)(tu)像。(f)還原(yuan)(yuan)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)木材(cai)(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠(jiao)的(de)(de)(de)形狀折疊(die)和(he)彎(wan)曲示意，隨后依次對應(ying)其XZ平(ping)面(mian)和(he)YZ平(ping)面(mian)彎(wan)曲區域的(de)(de)(de)掃描電子(zi)顯(xian)微(wei)鏡(jing)圖(tu)(tu)像。(g,h)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)木材(cai)(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠(jiao)和(he)還原(yuan)(yuan)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)木材(cai)(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠(jiao)在XY平(ping)面(mian)各(ge)自(zi)的(de)(de)(de)C和(he)O的(de)(de)(de)EDX分布圖(tu)(tu)。(i)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)木材(cai)(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠(jiao)和(he)還原(yuan)(yuan)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)木材(cai)(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠(jiao)的(de)(de)(de)拉曼光譜。

圖(tu)(tu)3.(a)天然(ran)木(mu)材(cai)(cai)、木(mu)材(cai)(cai)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)與(yu)還原氧(yang)化(hua)石墨烯修(xiu)(xiu)飾(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)材(cai)(cai)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)沿X與(yu)Z軸的(de)(de)(de)(de)導熱系數。(b)由光熱轉換(huan)和自然(ran)對流驅動的(de)(de)(de)(de)光熱蒸發系統示(shi)意圖(tu)(tu)。(c)海(hai)水-空氣(qi)界(jie)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)紅(hong)外(wai)熱成(cheng)像(xiang)圖(tu)(tu)，(d)漂浮在海(hai)水上(shang)的(de)(de)(de)(de)還原氧(yang)化(hua)石墨烯修(xiu)(xiu)飾(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)材(cai)(cai)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)(de)(de)(de)紅(hong)外(wai)熱成(cheng)像(xiang)圖(tu)(tu)，(e)懸(xuan)掛(gua)在海(hai)水槽(cao)(cao)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)還原氧(yang)化(hua)石墨烯修(xiu)(xiu)飾(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)材(cai)(cai)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)(de)(de)(de)紅(hong)外(wai)熱成(cheng)像(xiang)圖(tu)(tu)。(f)海(hai)水，海(hai)水槽(cao)(cao)之間(jian)懸(xuan)掛(gua)的(de)(de)(de)(de)木(mu)材(cai)(cai)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)，漂浮在海(hai)水上(shang)的(de)(de)(de)(de)還原氧(yang)化(hua)石墨烯修(xiu)(xiu)飾(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)材(cai)(cai)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)以及懸(xuan)掛(gua)在海(hai)水槽(cao)(cao)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)還原氧(yang)化(hua)石墨烯修(xiu)(xiu)飾(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)材(cai)(cai)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)(de)(de)(de)蒸發界(jie)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)變化(hua)。(g)上(shang)述(shu)四(si)種條(tiao)件(jian)下的(de)(de)(de)(de)蒸發率(lv)(lv)。(h)上(shang)述(shu)四(si)種條(tiao)件(jian)下的(de)(de)(de)(de)蒸發效率(lv)(lv)和蒸發速(su)率(lv)(lv)比較。(i)上(shang)述(shu)四(si)種情況的(de)(de)(de)(de)總(zong)溫(wen)升、氣(qi)液界(jie)面(mian)(mian)最(zui)高溫(wen)度(du)。

研究人(ren)員還通過(guo)有限元模擬多物(wu)理場分(fen)析的(de)(de)(de)(de)(de)輔助手段，分(fen)析了(le)天然(ran)(ran)木(mu)材(cai)氣凝膠結構對海水定(ding)向收集的(de)(de)(de)(de)(de)影響，以及懸掛(gua)式(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)光熱(re)蒸(zheng)(zheng)發(fa)(fa)作(zuo)用(yong)方式(shi)對光熱(re)轉換利(li)用(yong)率提(ti)升(sheng)作(zuo)用(yong)機制的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)析；得(de)出(chu)天然(ran)(ran)木(mu)材(cai)氣凝膠中干濕部(bu)分(fen)間相互作(zuo)用(yong)導致(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)芯吸(xi)效(xiao)(xiao)應(ying)是(shi)實現(xian)高效(xiao)(xiao)海水定(ding)向收集的(de)(de)(de)(de)(de)主要推(tui)動力(li)；而非接觸(chu)式(shi)蒸(zheng)(zheng)發(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率提(ti)高，主要得(de)益于(yu)自然(ran)(ran)空(kong)氣對流(liu)的(de)(de)(de)(de)(de)輔助作(zuo)用(yong)，這是(shi)由(you)于(yu)光熱(re)轉換進(jin)程(cheng)會強(qiang)制光熱(re)蒸(zheng)(zheng)發(fa)(fa)期間附近的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)氣場由(you)于(yu)溫差存在(zai)產(chan)生自然(ran)(ran)對流(liu)，同時將(jiang)產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽帶出(chu)，進(jin)而在(zai)光熱(re)蒸(zheng)(zheng)發(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)基礎(chu)上(shang)相對提(ti)高了(le)實際(ji)蒸(zheng)(zheng)發(fa)(fa)量，促進(jin)了(le)光熱(re)蒸(zheng)(zheng)發(fa)(fa)過(guo)程(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)進(jin)行，進(jin)而提(ti)高了(le)整體的(de)(de)(de)(de)(de)光熱(re)轉換利(li)用(yong)效(xiao)(xiao)率。

研究人員對光熱蒸發后產生的淡水水體也進行了質量把控，其主要離子脫除率也符合世界衛生組織（WHO）所制定的相關標準，使得這一材料體系同時具有極高的光熱轉換利用效率、低毒性、較好的生物相容性，且具備極好的實際應用潛力，對于高效海水淡化提出了一些新的見解與機理解釋。

圖4.(a,b,c)分別(bie)是海水(shui)(shui)(shui)(shui)在天(tian)然(ran)(ran)木(mu)(mu)(mu)材(cai)(cai)、木(mu)(mu)(mu)材(cai)(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)與還原(yuan)氧(yang)(yang)化石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯修飾(shi)的(de)(de)木(mu)(mu)(mu)材(cai)(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)表(biao)面(mian)的(de)(de)潤濕性，所有(you)的(de)(de)測量表(biao)面(mian)都設定(ding)在XY平面(mian)，海水(shui)(shui)(shui)(shui)水(shui)(shui)(shui)(shui)滴大小為5μL。(d,e,f)分別(bie)是木(mu)(mu)(mu)材(cai)(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)、天(tian)然(ran)(ran)木(mu)(mu)(mu)材(cai)(cai)和纖(xian)(xian)維(wei)(wei)素(su)紙對(dui)毛(mao)細(xi)力(li)(li)促進海水(shui)(shui)(shui)(shui)（油墨(mo)(mo)染色）收集的(de)(de)比(bi)較(jiao)（收集方(fang)(fang)向(xiang)沿(yan)著纖(xian)(xian)維(wei)(wei)排列(lie)方(fang)(fang)向(xiang)）。(g,h,andi)分別(bie)是木(mu)(mu)(mu)材(cai)(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)、天(tian)然(ran)(ran)木(mu)(mu)(mu)材(cai)(cai)和纖(xian)(xian)維(wei)(wei)素(su)紙對(dui)毛(mao)細(xi)力(li)(li)促進海水(shui)(shui)(shui)(shui)收集的(de)(de)比(bi)較(jiao)（收集方(fang)(fang)向(xiang)垂直(zhi)于纖(xian)(xian)維(wei)(wei)排列(lie)方(fang)(fang)向(xiang)）。(j)懸(xuan)掛(gua)式(shi)還原(yuan)氧(yang)(yang)化石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯修飾(shi)的(de)(de)木(mu)(mu)(mu)材(cai)(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)系(xi)統定(ding)向(xiang)海水(shui)(shui)(shui)(shui)收集圖示。(k)懸(xuan)掛(gua)式(shi)還原(yuan)氧(yang)(yang)化石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯修飾(shi)的(de)(de)木(mu)(mu)(mu)材(cai)(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)系(xi)統中海水(shui)(shui)(shui)(shui)飽(bao)和吸附(fu)量隨(sui)時間(jian)變化的(de)(de)模擬。(l)收集海水(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)(de)上升長度隨(sui)時間(jian)變化。(m)根(gen)據Lucas-Washburn方(fang)(fang)程計算的(de)(de)實際海水(shui)(shui)(shui)(shui)收集量與理想海水(shui)(shui)(shui)(shui)收集量的(de)(de)比(bi)較(jiao)。(n)天(tian)然(ran)(ran)木(mu)(mu)(mu)材(cai)(cai),纖(xian)(xian)維(wei)(wei)素(su)紙,木(mu)(mu)(mu)材(cai)(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)和還原(yuan)氧(yang)(yang)化石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯修飾(shi)的(de)(de)木(mu)(mu)(mu)材(cai)(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)分別(bie)的(de)(de)海水(shui)(shui)(shui)(shui)收集能力(li)(li)的(de)(de)比(bi)較(jiao)。

圖(tu)5.(a)模擬(ni)還原(yuan)(yuan)氧化石墨烯修(xiu)飾的(de)(de)木材氣凝膠模型中接近(jin)氣液界面的(de)(de)自然(ran)對流區。(b)模擬(ni)還原(yuan)(yuan)氧化石墨烯修(xiu)飾的(de)(de)木材氣凝膠基體與氣相(xiang)場在氣液界面附(fu)近(jin)的(de)(de)溫度分布隨時間的(de)(de)變化。

上(shang)述(shu)工作(zuo)(zuo)近期以“Enhanced Directional Seawater Desalination Usinga Structure-Guided Wood Aerogel”為(wei)題(ti)發表在美國化學(xue)(xue)學(xue)(xue)會旗下材料學(xue)(xue)國際(ji)知名期刊(kan)ACS Applied Materials&Interfaces，該(gai)論(lun)(lun)文第一(yi)作(zuo)(zuo)者為(wei)東北林業大學(xue)(xue)材料學(xue)(xue)院2018級碩士(shi)研究生晁偉翔，東北林業大學(xue)(xue)材料學(xue)(xue)院王成毓教(jiao)(jiao)授與哈爾濱工業大學(xue)(xue)環境學(xue)(xue)院賀詩(shi)欣教(jiao)(jiao)授為(wei)該(gai)論(lun)(lun)文共同通訊作(zuo)(zuo)者。該(gai)工作(zuo)(zuo)受到國家自然科學(xue)(xue)基金(jin)項(xiang)目支持。