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北極星水處理網訊:一、研究背景：
安全飲用水的短缺是目前面臨的一個全球性問題，尤其是在偏遠貧困地區。近年來，基於光熱材料的太陽能海水淡化技術受到了廣泛關注。不同於傳統的太陽能蒸發水技術，基於光熱材料的太陽能海水淡化技術可通過光熱材料高效地將太陽能轉化為熱能，並將產生的熱量鎖定在水的表面，使表面水快速加熱生成水蒸氣（無需對整體水進行加熱），因此其效率更高。對於這一新技術，光熱材料及其結構設計是關鍵。木材由於具有較低的密度（可漂浮在水面）、內部富含大量的水通道以及低的熱導率，成為製備光熱材料的常用材料之一。
關鍵挑戰：
目前製備木基光熱材料的方法主要有兩種：一種是表面碳化；另一種是表面塗層。表面碳化是將平整的木材置於高溫的加熱板上，通過高溫將接觸面進行碳化。這一技術需要較高的溫度，並且較難實現不平整或不規則木材表面的均勻碳化；此外，經過高溫碳化後的木材表面會失去大量的親水基團，導致其水下抗油黏附性能降低，易被水中油滴黏附堵塞孔道，導致產水性能大幅降低。表面塗層技術是將製備好的光熱材料塗敷在木材表面。常用的塗敷材料為炭黑及其他無機材料，這些材料由於和木材之間沒有足夠的結合力，容易在外力作用下脫落。
除了光熱材料自身性質外，光熱材料的結構設計對於提高其海水淡化性能也尤為重要：良好的結構設計可以增大光熱材料表面積，提高光能利用率，進而提高光熱材料的產水效率。這就要求製備木基光熱材料的方法要適用於任意形狀的木材，以便於結構優化設計。而目前報導的表面碳化和表面塗層技術較難實現這一點。
二、研究的出發點：
針對以上問題，南昌大學王振興講師和李越湘教授合作開發了一種簡單溫和且能將各種不規則形狀木材轉變為光熱材料的新方法，相關成果已在Nano Energy發表。該方法只需將木材置於單寧酸水溶液中浸泡一段時間，之後再將單寧酸處理的木材置於含有三價鐵離子的水溶液中浸漬，就可將木材轉變為海水淡化用的光熱材料，整個過程無需高溫高壓或特殊設備，綠色環保，且適用於任意形狀的木材。本文研究重點在於通過簡單、溫和、普適的方法製備木基光熱材料，並詳細研究闡述該方法在提高木基光熱材料綜合性能方面的獨特優勢。
圖1 製備木基光熱材料的示意圖、所得木基光熱材料的穩定性、基於該方法實現木基光熱材料的結構設計。
三、研究內容：
1、該方法對各種木材的普適性及機理
該方法通過簡單的單寧酸處理及後續三價鐵離子處理可將各種常見木頭（1.櫸木、2. 杉木、3.松木、4.柳木、5.橡木、6.楊木、7. 柘木）轉變為光熱材料。對比試驗表明，該方法對其他高分子材料如聚丙烯膜，聚酯布料和聚氨酯海綿等無效；此外，單獨的單寧酸和單獨的三價鐵離子也無法將大部分木材轉變為光熱材料。有意思的是：對於柘木而言，單獨的三價鐵離子處理就可將其變為光熱材料。
圖2 利用該方法將各種常見木材轉變為光熱材料、該方法對非木製材料無效、單獨用三價鐵離子處理木材無效果（柘木除外）。註：對比試驗是為了更好地理解該方法的改性機理。
為了闡明木材變黑的機理，作者以楊木為例，進一步對其表面形貌和化學組成進行了表徵。經過處理後的楊木在形貌上與原楊木無明顯區別，但XPS和ATR-FTIR表明改性後的木材表面修飾上了單寧酸和三價鐵離子。結合對比試驗，作者推測了其改性機理：木材中的木質素和纖維素含有大量的羥基，且具有豐富的孔道和多級結構，其可以牢固地結合大量的單寧酸分子，這些單寧酸分子可以與三價鐵離子配位形成大量絡合物，絡合物內的d-d躍遷與木材表面的多級結構最終使木材表面變黑，成為良好的光熱材料。對於柘木而言，其自身內部本就含有大量的單寧類物質，因此其直接用三價鐵離子處理就可以變黑；而其他木材自身所含單寧類物質較少，單獨的三價鐵離子處理只會使顏色變深，而無法變黑。對於聚丙烯等高分子材料，其表面化學惰性，單寧酸較難修飾在其表面（文中已通過XPS等證明），因此該方法無法使其變黑。
圖3 楊木（斷面，垂直於其生長方向）改性前後的電子顯微鏡圖像、X射線光電子能譜分析、傅立葉全反射紅外光譜、木材表面單寧酸與三價鐵離子絡合示意圖、木材變黑的關鍵因素
2、木基光熱材料的性能
所得木基光熱材料在寬波長範圍內表現出高的光吸收（這對於提高材料光熱效率很重要），並且具有超親水和水下超疏油性（有利於賦予材料水下抗油黏附性）。此外，該方法處理後的木基光熱材料仍保持良好的水傳輸性能。
圖4 木基光熱材料的光吸收、親水性及水下超疏油性、水傳輸性
作者們進一步研究了所得木基光熱材料在1 kWm-2下的水蒸發速率及能量效率。所得木基光熱材料中，楊木基光熱材料具有最高的蒸發速率（1.34 kgm-2h-1），對應的能量效率達到90%左右。這表明木基光熱材料的性能可通過選擇合適木材進行優化提高。此外，作者進一步研究了楊木基光熱材料的海水淡化性能，該木基光熱材料所收集水中各離子的濃度均下降了3個數量級，高於世界衛生組織的飲用水標準。
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