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▲第一作者：张倩；共同通讯作者：李林、唐大伟
通讯单位：大连理工大学 论文DOI：10.1021/acsami.0c05806 大连理工大学李林副教授和唐大伟教授以木材为原料制备了一种超轻的柔性木质气凝胶蒸发器，用于太阳能海水淡化。该木质气凝胶具有超阻热、抗霉变、自排盐的特性，从而在长期海水淡化过程中能够实现稳定、高效的蒸发性能。研究成果以“Flexible and Mildew-resistant Wood-derived Aerogel for Stable and Efficient Solar Desalination”为题，在线发表于ACS Appl. Mater. Interfaces（DOI：10.1021/acsami.0c05806）。太阳能界面蒸发是近年提出来的一种新型太阳能海水淡化技术。它通过将一种具有多孔结构的蒸发体漂浮于水面上，在水-空气界面处进行光热转换形成局部热区，同时蒸发体的内部多孔结构通过毛细作用向顶部热区连续供水，从而引起蒸发。该技术由于具有热损小、系统简单、成本低等优点而极具前景。天然木材具有高度规则排列的微纳孔隙结构，可以为水分输运提供直接通道，另外，木材还具有密度低、热导率低、成本低等优点，是一种理想的太阳能界面蒸发器基底材料。然而，天然木材长期浸泡于海水中容易发生塑性形变和受潮发霉，难以保证蒸发器结构的完整性，导致其稳定性较差，难以投入实际应用。针对以上难题，作者以天然木材为原料，通过去除其中的木质素及半纤维素，将格状刚性木材结构转化为弹簧状可压缩的层状结构，从而构建出具有柔性、超轻、多孔的木质气凝胶。研究发现，该气凝胶的质量仅为原木材的十分之一。在去除木质素的支撑后，其独特的三维层状结构表现出超柔性和超阻热（0.0418 W m-1·K-1）特性，使气凝胶在保证长期漂浮的同时能够有效抑制向下方水体的导热损失。被涂覆Au纳米粒子修饰的还原氧化石墨烯光热层后，气凝胶蒸发器在自然光照射下达到了91%的光-蒸汽转化效率。而且，在120小时的脱盐实验中，表现出优于天然木材的抗霉变和自排盐特性。这是因为在化学处理中不仅去除了霉菌生长所需的营养物质，而且保留了气凝胶在垂直于纤维素方向上排列有序的微米级孔道（15-20μm），使其在保证充足水供应和蒸汽逸散的同时，促进了沉积盐的回流。在去除木质素和半纤维素后，原本是黄色的天然木材完全变为白色。通过扫描电镜观察到，天然木材中的格子结构被破坏而演变成具有层状结构的薄细胞壁，而纤维素和纳米纤维仍保留在层结构单元中，形成曲面层叠结构。而且，该木质气凝胶具有各向异性的极低热导率，湿润状态下，垂直于纤维素排列方向的导热系数仅为0.0418 W m-1·K-1，经过对比发现，这种气凝胶不仅保温性能比天然木材要好，甚至优于大多数商用保温隔热材料。在亲水基团的协助下，木质气凝胶可在极短时间（0.5s）内吸收滴落的水，显示出优于木材的亲水特性。经过完全润湿后，其柔韧性也得到了明显改善，未受压状态下片状气凝胶仍可弯曲超过90°，而且表面无任何裂纹或破损。▲图4、木材蒸发器与木质气凝胶蒸发器的光热转换性能
光吸收性能是表征蒸发器应用于太阳能水蒸发的重要参数之一。与木材蒸发器相比，具有表面等离基元共振响应的木质气凝胶蒸发器（AGWA）在整个紫外线−近红外测量范围内都显示出更高的光吸收率（95-98％）；在1 kW m-2的光照下，AGWA蒸发表面的平均温度在开始照射的5分钟内从室温快速上升至43℃，显示出其优异的光热转换能力。▲图5、木材蒸发器与木质气凝胶蒸发器的界面光蒸汽转化性能及耐久性能
经过60 h的持续蒸发测试后，木材蒸发器表面出现了浅绿色的大片霉菌覆盖住部分蒸发表面，导致其蒸发效率的急剧下降。反之，木质气凝胶蒸发器由于化学处理过程中除去了霉菌生长所需的营养物质，长期漂浮于水面时仍然保持着结构的完整性和高效的光吸收能力，展现了其在长期太阳能海水淡化过程中的稳定性。▲图6、昼夜环境下木质气凝胶蒸发器自排盐现象和光蒸汽转化稳定性表现
通过模拟昼夜光照模式来评估木质气凝胶蒸发器在实际海水淡化过程中的蒸发稳定性。经过日间长时间照射后气凝胶蒸发器表面逐渐出现盐的积聚，但得益于其多孔道结构与出色的吸水能力，蒸发器表面上的盐离子在夜晚自动扩散回流至水中，这种排盐现象有助于蒸发器进行自清洁，实现了蒸发速率的恢复。该文章通过简单的处理方法将木材变成了木质气凝胶，解决了木材太阳能蒸发器在长期海水淡化中由于结构受损、潮湿发霉、表面积盐所导致的稳定性差的问题，为延长蒸发器的寿命提供了新思路。更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入研之成理后台自主查询。
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