随着过量的废水排放与生产生活用水的增加，淡水资源紧缺逐渐成为限制社会可持续发展的重要因素。利用太阳能界面集热的方式能够实现由海水向淡水的高效转换。在传统的太阳能蒸发海水淡化体系中，往往需要设计同时具有高吸光性、高隔热性与低曲折度的水相/蒸汽相输送通路。近年来，越来越多的材料体系如金属氧化物泡沫、聚合物薄膜、聚合物海绵、碳基气凝胶等均被用作太阳能蒸发体系基底材料以提高整体蒸发效率，但是这些材料往往需要较高的制备成本，同时在环境相容性与生物可降解性方面表现较差。

  出于缓解淡水危机的实际应用需求与提高太阳能蒸发体系的环境相容性及生物可降解性，研究人员利用天然木材的低曲折度孔管结构与优异的各向异性热传导的独特性质，将脱木素处理后的木材作为太阳能蒸发体系基底；同时为了实现木质组分的全内循环利用，通过一锅法将脱除的木质素经过简单的化学改性自组装成功制备为具有一定光热转换效果的木质素基衍生碳量子点原位循环修饰至脱木素木材内，实现了全木组分的高效循环利用，同时所制备的太阳能蒸发体系在一个自然光强度（1 kW·m^-2）下实现1.09 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率，同时光热转换利用率可达79.5%，这一体系不仅实现了对可再生太阳能的有效利用，同时也实现了对木质基材料体系内循环全利用，对拓展木质基材料的资源化利用同样具有重要意义。

图1. (a) 天然生长木材的示意图与光驱动的蒸腾现象。(b) 天然木材脱木素处理过程与木质素衍生碳量子点的水热制备过程。(c) 木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材的过程示意。(d) 木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材在自然光下作用进行光热蒸发过程示意。(e) 木质素衍生碳量子点的六元环结构及光吸收促进与光热转换过程示意。

  为了说明材料体系中作为光热转换组分的木质素衍生碳量子点 (LCQDs) 的结构有效性与脱木素木材 (DW) 的结合稳定性，研究人员通过透射电镜、拉曼谱图等证实了 LCQDs 形成了特征的石墨化结构，并且脱木素处理与化学改性自组装分别赋予了 LCQDs 与 DW 更多的表面含氧官能团，二者之间的有效结合赋予了 LCQDs-DW 相较于其他中间体更好的光热转换温升效果与光热蒸发性能；同时，同根同源的木质基底组分使得二者之间能够实现稳定的化学键合，研究人员通过X光电子能谱与红外谱图等也证实了二者之间的结合，这同时也为保证材料体系的化学稳定性与循环使用可靠性奠定了基础。

图2. (a, b, c) 天然木材、脱木素木材、木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材的实物图片（刻度尺表示10 mm长度）。(d, e, f) 天然木材、脱木素木材、木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材的扫描电镜图片（横截面）。(g, h, i) 天然木材、脱木素木材、木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材的扫描电镜图片（纵截面）。(j) 木质素衍生碳量子点的高分辨透射电镜形貌。(k, l) 木质素及木质素衍生碳量子点的拉曼谱图与XRD谱图。(m, n) 质素衍生碳量子点修饰脱木素木材的C/N/O 元素在纵截面与横截面中的构成比例。(o) 木质素衍生碳量子点的XPS全扫描谱图。(p, q, r) 木质素衍生碳量子点的C 1/O 1s/N1s精细扫描谱图。(s) 木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材的XPS全扫描谱图。(t, u, v) 木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材的C 1/O 1s/N1s精细扫描谱图。

图3. (a) 天然木材、脱木素木材、木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材沿各自横截面、纵截面的热导率。(b) 天然木材、脱木素木材、木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材的紫外-可见吸光光谱（AM 1.5标准太阳能谱图为背景，380-780 nm的可见光范围由绿色虚线标注）。(c) 纯水、天然木材、脱木素木材、木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材在一个自然光强度照射下的温升曲线。(d) 木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材在模拟光源下用作太阳能蒸发体系的示意。(e) 木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材太阳能蒸发体系的红外测温图，光热蒸发区域由虚线矩形标记。(f, g) 纯水、天然木材、脱木素木材、木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材在一个自然光强度下（1 kW·m^-2）的温升曲线与相对应的蒸发量变化曲线。(h) 纯水、天然木材、脱木素木材、木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材的总蒸发量与光热蒸发效率对比。

  研究人员同时通过有限元模拟多物理场分析的辅助手段，对在 LCQDs-DW 体系中气液蒸发界面界面的形成机制与影响因素、气液蒸发界面热传导行为等过程进行了作用机制的分析；得出 LCQDs-DW 的孔管尺寸是影响有效气液界面形成的关键因素，同时表现为孔管内气液界面处作用的毛细力大小的变化与随之产生的孔管内气液界面高度占比的不同，适宜的气液界面高度能够高效地实现光能捕获与光热蒸发；通过实验测试的光热蒸发体系的红外热成像图，实验人员提出了通过 LCQDs-DW 进行热值集中与定向热传导是影响蒸发过程的主要因素，并通过有限元模拟多物理场分析的辅助手段，验证了在 LCQDs-DW 与所定义的气液界面附近始终存在的传热温度差，佐证了界面热值传递的假设；同时，研究人员也从流-热耦合的角度分析了光热蒸发过程，并得出 LCQDs-DW 的孔管结构能够提供整体能量损失更小的层流流动，促进有效气液蒸发界面的形成与降低能量损耗，提高转换能量利用率。

图4. (a, b, c) 天然木材、脱木素木材、木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材的表面浸润性，测试面为样品横截面。(d) 木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材在水中浸泡1/3/5小时后面的侧视图示意。(e) 模拟孔管内由毛细作用力驱动的水相提拔高度随时间变化的曲线，模拟孔管的半径以5 μm为增长单位由5 μm变化至50 μm。(f) 模拟孔管内水相最大提拔高度与相应气液界面在孔管内占比。(g) 模拟孔管内毛细力作用驱动水相输送过程示意。(h) 模拟孔管内沿孔管向上水相在不同半径孔管内的上升速度。

图5. (a) 由木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材上表面至水体的温度变化趋势。(b) 温度变化趋势中标记的四部分区域，1-空气场至木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材上表面，2-木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材的上表面至下表面，3-木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材附近的气液界面，4-主水体。(c) 计算 (a) 图中温度曲线的三处平均温度线分布。(d) 模拟所得木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材附近的气液界面与其上表面间的温度上升曲线。(e) 模拟所得气液界面附近存在的温度梯度。(f) 模拟所得稳定蒸发状态下木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材上表面温度分布。(g) 模拟所得稳定蒸发状态下木质素衍生碳量子点修饰脱木素木材内蒸汽流上升情况。(h) 模拟所得蒸汽流发展阶段与稳定阶段的流动流率。(i) 模拟再现的由初始态至稳定态的光热蒸发过程发展。

  研究人员对光热蒸发后产生的淡水水体也进行了质量把控，其主要离子脱除率也符合世界卫生组织（WHO）所制定的相关标准，使得这一材料体系同时具有优秀的光热转换利用效率、良好的环境相容性与生物可降解性，且具备极好的实际应用潜力，对于高效海水淡化提出了一些新的见解与机理解释，同时拓展了木质基材料内循环利用的有效途径。

  上述工作近期以“Enhanced Wood-Derived Photothermal Evaporation System by In-situ Incorporated Lignin Carbon Quantum Dots”为题发表在Elsevier旗下杂志Chemical Engineering Journal，该论文第一作者为东北林业大学材料学院2018级硕士研究生晁伟翔，东北林业大学材料学院王成毓教授与哈尔滨工业大学环境学院贺诗欣教授为该论文共同通讯作者，东北林业大学材料学院李煜东副教授对本文工作提供了部分指导意见。该工作受到国家自然科学基金项目支持。

  论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472032831X