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淡(dan)水(shui)資(zi)(zi)源(yuan)(yuan)短缺一直是困擾限(xian)制(zhi)當今世界可持續發展的(de)(de)主(zhu)要因(yin)素，相較于(yu)日(ri)漸緊張的(de)(de)內陸湖(hu)泊江河等(deng)淡(dan)水(shui)資(zi)(zi)源(yuan)(yuan)，海(hai)(hai)洋水(shui)體(ti)占據(ju)了世界上(shang)絕大(da)(da)部分的(de)(de)水(shui)資(zi)(zi)源(yuan)(yuan)儲量，因(yin)此將海(hai)(hai)洋水(shui)體(ti)轉化(hua)為可加(jia)以利(li)用的(de)(de)淡(dan)水(shui)資(zi)(zi)源(yuan)(yuan)，近(jin)年(nian)來受到研究(jiu)人員的(de)(de)普遍(bian)關注；相較于(yu)傳統的(de)(de)大(da)(da)規模海(hai)(hai)水(shui)淡(dan)化(hua)工(gong)藝如(ru)多(duo)級閃蒸、反(fan)滲透等(deng)，太陽能(neng)蒸發因(yin)其合理地利(li)用可再(zai)生(sheng)太陽能(neng)能(neng)源(yuan)(yuan)，低成本、低場地限(xian)制(zhi)、經(jing)濟高(gao)效等(deng)優勢(shi)，漸漸成為極具應用前景的(de)(de)海(hai)(hai)水(shui)淡(dan)化(hua)手段。

但是近年來的(de)相關研究普遍采用(yong)(yong)(yong)了一種光(guang)熱蒸發(fa)(fa)材(cai)料與海(hai)(hai)洋水(shui)(shui)體(ti)“緊密接(jie)觸”的(de)適用(yong)(yong)(yong)方式，這種接(jie)觸方式會使得光(guang)熱轉換產生的(de)熱量有(you)很大一部分(fen)作(zuo)為熱損失而傳(chuan)遞至主(zhu)體(ti)水(shui)(shui)相中，造(zao)成光(guang)熱蒸發(fa)(fa)的(de)光(guang)能利用(yong)(yong)(yong)率普遍不高；同時，常規(gui)應用(yong)(yong)(yong)的(de)多孔蒸發(fa)(fa)材(cai)料介質多為環境(jing)相容性較(jiao)差的(de)人(ren)造(zao)材(cai)料，在海(hai)(hai)水(shui)(shui)蒸發(fa)(fa)淡化過程中容易(yi)造(zao)成水(shui)(shui)體(ti)二次污染(ran)，同時其在使用(yong)(yong)(yong)之(zhi)后的(de)降解也(ye)會對水(shui)(shui)體(ti)環境(jing)造(zao)成一定影響。

圖1.(a)天(tian)然(ran)木(mu)(mu)材中太陽(yang)能驅(qu)動蒸發系(xi)統圖解(jie)和與天(tian)然(ran)木(mu)(mu)材制(zhi)作還(huan)(huan)原(yuan)氧化(hua)(hua)石墨烯(xi)修(xiu)飾(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)示意圖。(b)非直接(jie)接(jie)觸蒸發系(xi)統圖示，海(hai)水(shui)由還(huan)(huan)原(yuan)氧化(hua)(hua)石墨烯(xi)修(xiu)飾(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)(de)(de)(de)毛細(xi)作用力(li)定向收集的(de)(de)(de)(de)。還(huan)(huan)原(yuan)氧化(hua)(hua)石墨烯(xi)修(xiu)飾(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)在(zai)表面進行(xing)光(guang)熱(re)轉換(huan)并誘(you)導蒸發，同(tong)時(shi)還(huan)(huan)原(yuan)氧化(hua)(hua)石墨烯(xi)修(xiu)飾(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)在(zai)空(kong)氣(qi)(qi)區(qu)進行(xing)自然(ran)對流(liu)。(c)利用還(huan)(huan)原(yuan)氧化(hua)(hua)石墨烯(xi)修(xiu)飾(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)纖維的(de)(de)(de)(de)毛細(xi)管(guan)力(li)定向收集海(hai)水(shui)。(d)光(guang)熱(re)轉換(huan)與自然(ran)對流(liu)的(de)(de)(de)(de)協同(tong)促(cu)進蒸發示意圖。

基于上(shang)述實際應(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)與(yu)當前研(yan)究存在的(de)(de)(de)問題，研(yan)究人(ren)員利用(yong)天然木材(cai)(cai)纖(xian)維(wei)定向排列的(de)(de)(de)結構特(te)點，通過選擇(ze)性去(qu)除(chu)木質素(su)、半(ban)纖(xian)維(wei)素(su)后(hou)，制備得到了(le)同時能(neng)夠定向高(gao)效收集海水(shui)且可彎折卷曲的(de)(de)(de)木材(cai)(cai)衍生天然氣(qi)凝(ning)膠材(cai)(cai)料，其表面修飾光熱涂層后(hou)能(neng)夠高(gao)效地進(jin)行光熱轉換(huan)激(ji)發的(de)(de)(de)海水(shui)蒸發。

在(zai)(zai)此基礎(chu)之上，研究人員獨辟(pi)蹊徑地將(jiang)這種材(cai)料設計成(cheng)一(yi)(yi)種“非直接(jie)(jie)接(jie)(jie)觸(chu)式(shi)”的(de)(de)懸(xuan)掛式(shi)太陽能(neng)(neng)海(hai)水(shui)(shui)蒸(zheng)發(fa)器(qi)件，將(jiang)可彎(wan)折的(de)(de)木材(cai)氣凝膠材(cai)料做(zuo)成(cheng)了(le)“連(lian)(lian)接(jie)(jie)橋”式(shi)的(de)(de)結(jie)構，懸(xuan)掛在(zai)(zai)海(hai)水(shui)(shui)水(shui)(shui)槽之間，進(jin)而避免了(le)光(guang)(guang)(guang)熱(re)蒸(zheng)發(fa)材(cai)料與(yu)水(shui)(shui)相緊密接(jie)(jie)觸(chu)造成(cheng)的(de)(de)熱(re)損失與(yu)光(guang)(guang)(guang)能(neng)(neng)利用(yong)率(lv)(lv)的(de)(de)下降；利用(yong)這種方式(shi)，“連(lian)(lian)接(jie)(jie)橋”式(shi)的(de)(de)蒸(zheng)發(fa)期間能(neng)(neng)夠在(zai)(zai)一(yi)(yi)個自然光(guang)(guang)(guang)強(qiang)度(du)（1kW·m-2）下實現1.351kg·m-2·h-1的(de)(de)蒸(zheng)發(fa)速率(lv)(lv)，同時(shi)光(guang)(guang)(guang)熱(re)轉換利用(yong)率(lv)(lv)高(gao)達(da)90.89%，相較于傳(chuan)統的(de)(de)“緊密接(jie)(jie)觸(chu)”式(shi)太陽能(neng)(neng)蒸(zheng)發(fa)，極大地提升(sheng)了(le)光(guang)(guang)(guang)能(neng)(neng)利用(yong)率(lv)(lv)。

圖2.(a,b,c)天然木(mu)(mu)材、木(mu)(mu)材氣凝(ning)膠(jiao)(jiao)與還(huan)原(yuan)(yuan)氧(yang)化石墨(mo)烯(xi)(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材氣凝(ning)膠(jiao)(jiao)形貌，隨后依次(ci)對(dui)應其各自XY、XZ、YZ平(ping)(ping)面(mian)的(de)(de)(de)(de)掃描(miao)電(dian)子顯微鏡(jing)圖像(xiang)(xiang)。(d,e)氧(yang)化石墨(mo)烯(xi)(xi)和(he)(he)還(huan)原(yuan)(yuan)氧(yang)化石墨(mo)烯(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)高(gao)分辨(bian)透(tou)射電(dian)鏡(jing)圖像(xiang)(xiang)。(f)還(huan)原(yuan)(yuan)氧(yang)化石墨(mo)烯(xi)(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材氣凝(ning)膠(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)(de)形狀折疊和(he)(he)彎曲示意，隨后依次(ci)對(dui)應其XZ平(ping)(ping)面(mian)和(he)(he)YZ平(ping)(ping)面(mian)彎曲區域(yu)的(de)(de)(de)(de)掃描(miao)電(dian)子顯微鏡(jing)圖像(xiang)(xiang)。(g,h)氧(yang)化石墨(mo)烯(xi)(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材氣凝(ning)膠(jiao)(jiao)和(he)(he)還(huan)原(yuan)(yuan)氧(yang)化石墨(mo)烯(xi)(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材氣凝(ning)膠(jiao)(jiao)在(zai)XY平(ping)(ping)面(mian)各自的(de)(de)(de)(de)C和(he)(he)O的(de)(de)(de)(de)EDX分布圖。(i)氧(yang)化石墨(mo)烯(xi)(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材氣凝(ning)膠(jiao)(jiao)和(he)(he)還(huan)原(yuan)(yuan)氧(yang)化石墨(mo)烯(xi)(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材氣凝(ning)膠(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)(de)拉曼(man)光譜。

圖(tu)(tu)3.(a)天(tian)然木(mu)(mu)材(cai)(cai)、木(mu)(mu)材(cai)(cai)氣(qi)(qi)凝(ning)膠與還(huan)(huan)原(yuan)氧(yang)化(hua)(hua)石(shi)墨烯(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材(cai)(cai)氣(qi)(qi)凝(ning)膠沿X與Z軸的(de)(de)(de)(de)(de)導(dao)熱系(xi)數。(b)由光熱轉換和自(zi)然對流驅動的(de)(de)(de)(de)(de)光熱蒸(zheng)發(fa)系(xi)統示意圖(tu)(tu)。(c)海(hai)水(shui)-空氣(qi)(qi)界面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)紅(hong)外熱成(cheng)像(xiang)圖(tu)(tu)，(d)漂浮在(zai)海(hai)水(shui)上的(de)(de)(de)(de)(de)還(huan)(huan)原(yuan)氧(yang)化(hua)(hua)石(shi)墨烯(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材(cai)(cai)氣(qi)(qi)凝(ning)膠的(de)(de)(de)(de)(de)紅(hong)外熱成(cheng)像(xiang)圖(tu)(tu)，(e)懸(xuan)掛在(zai)海(hai)水(shui)槽(cao)之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)(de)還(huan)(huan)原(yuan)氧(yang)化(hua)(hua)石(shi)墨烯(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材(cai)(cai)氣(qi)(qi)凝(ning)膠的(de)(de)(de)(de)(de)紅(hong)外熱成(cheng)像(xiang)圖(tu)(tu)。(f)海(hai)水(shui)，海(hai)水(shui)槽(cao)之(zhi)間懸(xuan)掛的(de)(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材(cai)(cai)氣(qi)(qi)凝(ning)膠，漂浮在(zai)海(hai)水(shui)上的(de)(de)(de)(de)(de)還(huan)(huan)原(yuan)氧(yang)化(hua)(hua)石(shi)墨烯(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材(cai)(cai)氣(qi)(qi)凝(ning)膠以及懸(xuan)掛在(zai)海(hai)水(shui)槽(cao)之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)(de)還(huan)(huan)原(yuan)氧(yang)化(hua)(hua)石(shi)墨烯(xi)修(xiu)飾的(de)(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)材(cai)(cai)氣(qi)(qi)凝(ning)膠的(de)(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)發(fa)界面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度變化(hua)(hua)。(g)上述(shu)(shu)四(si)種(zhong)(zhong)條(tiao)件(jian)下的(de)(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)發(fa)率。(h)上述(shu)(shu)四(si)種(zhong)(zhong)條(tiao)件(jian)下的(de)(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)發(fa)效率和蒸(zheng)發(fa)速率比較。(i)上述(shu)(shu)四(si)種(zhong)(zhong)情況的(de)(de)(de)(de)(de)總溫(wen)(wen)升(sheng)、氣(qi)(qi)液界面(mian)最高(gao)溫(wen)(wen)度。

研究人員還通過有限元模(mo)擬(ni)多物理(li)場(chang)分(fen)(fen)析(xi)(xi)的(de)(de)(de)輔(fu)助(zhu)手段，分(fen)(fen)析(xi)(xi)了(le)天然(ran)木材氣(qi)凝(ning)膠結構對海水(shui)定(ding)(ding)向收集的(de)(de)(de)影響，以及懸掛式(shi)的(de)(de)(de)光(guang)熱(re)蒸(zheng)(zheng)發(fa)作(zuo)(zuo)用(yong)方式(shi)對光(guang)熱(re)轉換利(li)用(yong)率(lv)提升(sheng)作(zuo)(zuo)用(yong)機制的(de)(de)(de)分(fen)(fen)析(xi)(xi)；得出(chu)(chu)天然(ran)木材氣(qi)凝(ning)膠中干濕(shi)部(bu)分(fen)(fen)間相互作(zuo)(zuo)用(yong)導致的(de)(de)(de)芯吸(xi)效(xiao)應是實(shi)現高(gao)效(xiao)海水(shui)定(ding)(ding)向收集的(de)(de)(de)主(zhu)要推動力；而非接觸式(shi)蒸(zheng)(zheng)發(fa)的(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)提高(gao)，主(zhu)要得益于自(zi)然(ran)空氣(qi)對流的(de)(de)(de)輔(fu)助(zhu)作(zuo)(zuo)用(yong)，這是由于光(guang)熱(re)轉換進(jin)程(cheng)會(hui)強制光(guang)熱(re)蒸(zheng)(zheng)發(fa)期(qi)間附近的(de)(de)(de)空氣(qi)場(chang)由于溫差存在產生自(zi)然(ran)對流，同(tong)時將產生的(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽帶出(chu)(chu)，進(jin)而在光(guang)熱(re)蒸(zheng)(zheng)發(fa)的(de)(de)(de)基(ji)礎上相對提高(gao)了(le)實(shi)際蒸(zheng)(zheng)發(fa)量(liang)，促進(jin)了(le)光(guang)熱(re)蒸(zheng)(zheng)發(fa)過程(cheng)的(de)(de)(de)進(jin)行，進(jin)而提高(gao)了(le)整(zheng)體的(de)(de)(de)光(guang)熱(re)轉換利(li)用(yong)效(xiao)率(lv)。

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)分別是海(hai)(hai)水(shui)(shui)(shui)在天然(ran)木(mu)(mu)(mu)材(cai)、木(mu)(mu)(mu)材(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)與還(huan)原(yuan)氧(yang)(yang)化(hua)石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯修飾(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)(mu)材(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)表(biao)面的(de)(de)(de)(de)潤濕性(xing)，所有的(de)(de)(de)(de)測量(liang)(liang)表(biao)面都(dou)設定在XY平面，海(hai)(hai)水(shui)(shui)(shui)水(shui)(shui)(shui)滴大(da)小為5μL。(d,e,f)分別是木(mu)(mu)(mu)材(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)、天然(ran)木(mu)(mu)(mu)材(cai)和纖維(wei)(wei)素紙(zhi)對毛細力(li)促(cu)進海(hai)(hai)水(shui)(shui)(shui)（油墨(mo)(mo)(mo)染(ran)色）收(shou)(shou)(shou)集(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)比較(jiao)（收(shou)(shou)(shou)集(ji)(ji)方(fang)向(xiang)(xiang)沿著纖維(wei)(wei)排列(lie)方(fang)向(xiang)(xiang)）。(g,h,andi)分別是木(mu)(mu)(mu)材(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)、天然(ran)木(mu)(mu)(mu)材(cai)和纖維(wei)(wei)素紙(zhi)對毛細力(li)促(cu)進海(hai)(hai)水(shui)(shui)(shui)收(shou)(shou)(shou)集(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)比較(jiao)（收(shou)(shou)(shou)集(ji)(ji)方(fang)向(xiang)(xiang)垂(chui)直于纖維(wei)(wei)排列(lie)方(fang)向(xiang)(xiang)）。(j)懸掛式還(huan)原(yuan)氧(yang)(yang)化(hua)石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯修飾(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)(mu)材(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)系統(tong)定向(xiang)(xiang)海(hai)(hai)水(shui)(shui)(shui)收(shou)(shou)(shou)集(ji)(ji)圖示。(k)懸掛式還(huan)原(yuan)氧(yang)(yang)化(hua)石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯修飾(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)(mu)材(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)系統(tong)中海(hai)(hai)水(shui)(shui)(shui)飽和吸附量(liang)(liang)隨時間(jian)變(bian)化(hua)的(de)(de)(de)(de)模(mo)擬。(l)收(shou)(shou)(shou)集(ji)(ji)海(hai)(hai)水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)上升長度(du)隨時間(jian)變(bian)化(hua)。(m)根據(ju)Lucas-Washburn方(fang)程計算的(de)(de)(de)(de)實際(ji)海(hai)(hai)水(shui)(shui)(shui)收(shou)(shou)(shou)集(ji)(ji)量(liang)(liang)與理想海(hai)(hai)水(shui)(shui)(shui)收(shou)(shou)(shou)集(ji)(ji)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)比較(jiao)。(n)天然(ran)木(mu)(mu)(mu)材(cai),纖維(wei)(wei)素紙(zhi),木(mu)(mu)(mu)材(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)和還(huan)原(yuan)氧(yang)(yang)化(hua)石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯修飾(shi)的(de)(de)(de)(de)木(mu)(mu)(mu)材(cai)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)分別的(de)(de)(de)(de)海(hai)(hai)水(shui)(shui)(shui)收(shou)(shou)(shou)集(ji)(ji)能力(li)的(de)(de)(de)(de)比較(jiao)。

圖5.(a)模擬還原氧化(hua)石墨烯(xi)修飾的(de)(de)木(mu)材氣凝膠模型(xing)中接(jie)近(jin)(jin)氣液界面的(de)(de)自(zi)然對流區。(b)模擬還原氧化(hua)石墨烯(xi)修飾的(de)(de)木(mu)材氣凝膠基體與氣相場在(zai)氣液界面附近(jin)(jin)的(de)(de)溫度(du)分布隨時間的(de)(de)變化(hua)。

上述工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)近期以“Enhanced Directional Seawater Desalination Usinga Structure-Guided Wood Aerogel”為(wei)題發表在美國(guo)化學(xue)(xue)(xue)學(xue)(xue)(xue)會旗下材料學(xue)(xue)(xue)國(guo)際知名期刊ACS Applied Materials&Interfaces，該論文第一作(zuo)(zuo)(zuo)者為(wei)東(dong)北林業(ye)大(da)學(xue)(xue)(xue)材料學(xue)(xue)(xue)院(yuan)2018級(ji)碩士研究生晁偉翔，東(dong)北林業(ye)大(da)學(xue)(xue)(xue)材料學(xue)(xue)(xue)院(yuan)王成毓教授(shou)與哈爾濱工(gong)(gong)業(ye)大(da)學(xue)(xue)(xue)環境學(xue)(xue)(xue)院(yuan)賀詩欣教授(shou)為(wei)該論文共同通訊作(zuo)(zuo)(zuo)者。該工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)受(shou)到(dao)國(guo)家自然科學(xue)(xue)(xue)基金項(xiang)目支持。