蒸發(fā)材料0417丨北京林業(yè)大學NC論文：雙功能木質(zhì)素工程重構(gòu)木質(zhì)生物質(zhì)框架，用于高效抗鹽太陽能海水淡化

2026年，國際期刊《Nature Communications》發(fā)表了北京林業(yè)大學袁同琦團隊、武漢大學陳朝吉團隊等合作完成的題為“Reconstitution of woody biomass framework via dual-functional lignin engineering toward efficient and salt-resistant solar desalination”的研究論文。本文提出一種基于雙功能木質(zhì)素工程重構(gòu)木材框架的高效抗鹽太陽能界面蒸發(fā)策略，通過部分保留木質(zhì)素以調(diào)控木材框架中的水分狀態(tài)，誘導生成更多弱氫鍵結(jié)合的“中間水”，從而降低蒸發(fā)焓并維持高效水傳輸；同時將提取出的木質(zhì)素通過激光誘導石墨化轉(zhuǎn)化為由層級石墨烯/石墨碳結(jié)構(gòu)組成的寬譜光熱層，實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換與水分管理的協(xié)同增效。核心敘事并非單一材料性能優(yōu)化，而是圍繞“結(jié)構(gòu)—機制—性能”主線，將部分脫木質(zhì)素調(diào)控中間水含量、激光誘導木質(zhì)素石墨化構(gòu)建高效光熱層、保留木質(zhì)素維持多尺度通道結(jié)構(gòu)增強抗鹽性、以及全生物質(zhì)組分的可持續(xù)利用統(tǒng)一到一個可量化、可調(diào)控、可拓展的高效蒸發(fā)體系中，并系統(tǒng)闡釋了其在連續(xù)海水淡化、高鹽鹵水處理、有機污染物去除及抗鹽沉積與可回收性方面的綜合優(yōu)勢。《Nature Communications》是Springer Nature旗下的開放獲取期刊，主要發(fā)表生物、物理、化學、地球、環(huán)境、醫(yī)學等領域的高水平研究成果，屬于中科院綜合性期刊1區(qū)（Top期刊）。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-70270-0

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太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)是解決全球淡水短缺問題的一種有前景的解決方案，其中基于木質(zhì)生物質(zhì)的蒸發(fā)器因其可持續(xù)性和成本效益而脫穎而出。然而，當前基于木質(zhì)生物質(zhì)的系統(tǒng)往往存在水分管理效率低和光熱性能不佳的問題。本文提出了一種雙功能木質(zhì)素工程重構(gòu)木材框架策略，實現(xiàn)了木質(zhì)生物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)雙重優(yōu)化，通過水分管理和熱管理來增強其蒸發(fā)性能。通過在木質(zhì)生物質(zhì)框架中部分保留和重組木質(zhì)素，生成了更高比例的弱結(jié)合的“中間水”，降低了蒸發(fā)焓，同時保留了水傳輸能力。與此同時，提取出的木質(zhì)素通過激光誘導石墨化被升級利用，形成由層級石墨烯/石墨碳結(jié)構(gòu)組成的寬譜光熱層，其太陽光吸收率超過95%。這種協(xié)同設計得到了E-150太陽能蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器在一個太陽光照下實現(xiàn)了2.24 kg·m?2·h?1的蒸發(fā)速率和91.52%的光熱轉(zhuǎn)換效率，超過了大多數(shù)已報道的木質(zhì)基蒸發(fā)器。此外，保留的木質(zhì)素維持了多尺度通道的完整性，賦予了該蒸發(fā)器強抗鹽性、高可回收性和強大的凈化能力。這種集成的生物質(zhì)增值策略為高性能太陽能海水淡化和可持續(xù)水-能源應用提供了一條可規(guī)模化、低成本且環(huán)保的路徑。

隨著全球人口增長、工業(yè)化和氣候變化的加劇，淡水資源日益短缺，已成為全球性危機。海水占地球水資源的約97.5%，是解決沿海地區(qū)淡水短缺問題的潛在水源，但傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)（如反滲透和多級閃蒸）能耗高、成本昂貴。相比之下，界面太陽能蒸發(fā)技術(shù)利用高度可再生的太陽能，僅加熱水體的薄層表面，顯著減少熱損失和操作復雜性，為低成本、環(huán)保的海水及廢水凈化提供了新路徑。木質(zhì)生物質(zhì)因其來源豐富、可再生、具有天然的分層多孔結(jié)構(gòu)和各向異性熱傳導性能，在界面太陽能蒸發(fā)領域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，目前基于木材的蒸發(fā)系統(tǒng)普遍存在水分管理效率低和光熱轉(zhuǎn)換性能差的問題。天然木材中含有疏水的木質(zhì)素，緊密包裹纖維素纖維，阻礙水向蒸發(fā)界面的有效輸送，因此許多研究選擇完全脫除木質(zhì)素以提高親水性，但這卻導致高焓值自由水占主導，限制了蒸發(fā)速率的進一步提升。同時，天然木材對陽光的吸收能力較弱，現(xiàn)有研究多依賴外加金屬納米顆粒或半導體涂層來提高光吸收，但增加了成本和環(huán)境風險。因此，如何在保留木質(zhì)生物質(zhì)可持續(xù)性與經(jīng)濟性的前提下，同時優(yōu)化水分傳輸與光熱轉(zhuǎn)換性能，是當前木質(zhì)基太陽能蒸發(fā)器發(fā)展的關鍵挑戰(zhàn)。

1、首創(chuàng)“一木兩用”的雙功能木質(zhì)素工程策略。

2、協(xié)同優(yōu)化水分管理與熱管理，實現(xiàn)創(chuàng)紀錄的蒸發(fā)性能。

3、保留木質(zhì)素賦予多尺度結(jié)構(gòu)完整性，實現(xiàn)強抗鹽性與可回收性。

圖1. 木質(zhì)基太陽能蒸發(fā)器的制備流程與內(nèi)在機理示意圖。a木質(zhì)素工程重構(gòu)木材框架策略的示意圖。b木質(zhì)素在木質(zhì)基太陽能蒸發(fā)器中對水分管理和熱管理的雙重功能。圖中的三維元素由Insight Vision根據(jù)我們的概念輸入進行專業(yè)渲染。

圖2. 含適量木質(zhì)素的木材的水分管理。a W-150中分子鏈與水之間相互作用及水狀態(tài)示意圖。纖維素（藍色六邊形）、半纖維素（綠色五邊形）和木質(zhì)素（棕色六邊形）以符號形式展示，用以說明它們的結(jié)構(gòu)作用。b 基于定量二維HSQC核磁共振譜（400 MHz，DMSO-d?）計算的結(jié)構(gòu)單元比例。c 通過暗蒸發(fā)實驗測得的W-A和W-150中水的蒸發(fā)焓。圖c中的數(shù)據(jù)表示均值±標準差（SD），來源于n=3個獨立樣品。源數(shù)據(jù)文件隨論文提供。d W-A和W-150在纖維飽和狀態(tài)下的T?分布圖。e W-A和f W-150在纖維飽和狀態(tài)下的T?-T?相關譜圖。

圖3. 頂層結(jié)構(gòu)與光吸收性能的表征。a激光刻蝕木質(zhì)素制備石墨烯的示意圖。bC-150和E-150的表面潤濕性。C-150是涂覆了木質(zhì)素溶液的W-150；E-150是對C-150進行激光刻蝕后得到的木質(zhì)基太陽能蒸發(fā)器。c激光刻蝕前后的掃描電鏡對比圖像。dE-150表面橫截面的掃描電鏡圖像。eE-150表面不同尺度的掃描電鏡和高分辨透射電鏡圖像。fE-150光熱轉(zhuǎn)化層的拉曼光譜。g木質(zhì)基太陽能蒸發(fā)器的太陽光吸收率以及AM 1.5 G傾斜太陽光譜的歸一化光譜太陽輻照密度。h大尺寸激光刻蝕木質(zhì)基太陽能蒸發(fā)器。

圖4. 木質(zhì)素工程重構(gòu)木材的蒸發(fā)性能。aE-W、E-A和E-150在一個太陽光照下的蒸發(fā)速率曲線。b不同木質(zhì)素含量的木質(zhì)基太陽能蒸發(fā)器在一個太陽光照下的穩(wěn)定蒸發(fā)速率（所有蒸發(fā)器均基于W-150制備，E-X中的X代表激光功率，n=3）。c激光功率對木質(zhì)基太陽能蒸發(fā)器蒸發(fā)速率的影響（n=3）。dE-W、E-A和E-150在一個太陽光照下的光熱轉(zhuǎn)換效率（n=3）。e與已報道的木質(zhì)基太陽能蒸發(fā)器在蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)換效率方面的對比。

圖5. 木質(zhì)素工程重構(gòu)木材的多功能性能：抗鹽性、可回收性與凈化能力。aE-150在不同鹽度鹽水中的一個太陽光照下的蒸發(fā)速率。bE-150抗鹽結(jié)晶的機理示意圖。cE-150的戶外水蒸發(fā)實驗（n=3）。d戶外實驗中8:00至17:00的同步太陽光通量和E-150的蒸發(fā)速率（溫度范圍：20-29 °C，濕度范圍：50%-60%，太陽輻射強度如圖5d所示，中國北京，2024年9月19日）。eE-150在真實海水中連續(xù)蒸發(fā)12小時過程中蒸發(fā)速率的變化，以及連續(xù)蒸發(fā)12小時后的鹽結(jié)晶情況（如插圖中所示）。fE-A和E-150回收前后的圖像。gE-150在真實海水中連續(xù)10個循環(huán)（每個循環(huán)4小時）在一個太陽光照下的平均蒸發(fā)速率（n=3）。圖b和圖g中的數(shù)據(jù)表示均值 ± 標準差（SD），來源于n=3個獨立樣品。源數(shù)據(jù)文件隨論文提供。

本研究驗證了所提出的雙功能木質(zhì)素工程重構(gòu)木材框架策略的有效性。通過部分保留木質(zhì)素，木材框架中形成了更多具有低蒸發(fā)焓的中間水，顯著提升了蒸發(fā)性能；同時，利用回收的木質(zhì)素通過激光刻蝕制備了由石墨烯和石墨碳組成的光熱轉(zhuǎn)換層，具備優(yōu)異的太陽光吸收和光熱轉(zhuǎn)換能力。E-150蒸發(fā)器在蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)換效率方面均優(yōu)于大多數(shù)已報道的木質(zhì)基蒸發(fā)器。此外，木質(zhì)素的部分保留還增強了蒸發(fā)器的抗鹽結(jié)晶性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可回收性。該策略簡單、低能耗、成本低廉，具備良好的規(guī)模化應用潛力，為木質(zhì)生物質(zhì)基太陽能蒸發(fā)器的可持續(xù)發(fā)展提供了兼具經(jīng)濟與環(huán)境效益的新模型。。

Bin Wang, Yanrong He, Zhihao Yang, Qian Sun, Xipeng Zhang, Xiaojun Shen, Jia-Long Wen, Chaoji Chen, Tong-Qi Yuan. 2026. Reconstitution of woody biomass framework via dual-functional lignin engineering toward efficient and salt-resistant solar desalination. Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-026-70270-0

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資料整理：雷幸悅（陽光凈水）

編輯：環(huán)境與能源功能材料

雷幸悅（陽光凈水課題組）

【資料整理】雷幸悅：資源與環(huán)境碩士研究生。

陽光凈水課題組：主要研究方向為生物質(zhì)基環(huán)境功能材料、太陽能蒸發(fā)材料、磁性吸附材料、污染物吸附和環(huán)境催化反應機理。課題組主頁：

https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

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殼聚糖丨纖維素丨MOF材料丨石墨烯丨碳納米管丨MXenes丨硫化鉬丨催化材料丨蒸發(fā)材料丨吸附材料丨電極材料丨除磷材料丨產(chǎn)氫材料

2025年9月，國際TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發(fā)表了陽光凈水課題組題為“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的綜述性論文。根據(jù)Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述多功能和可持續(xù)殼聚糖基界面蒸發(fā)材料在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本文總結(jié)了殼聚糖基太陽能界面蒸發(fā)器（CS-SIE）四種類型（水凝膠、氣凝膠、海綿和膜）、五種改性材料和在水污染控制中應用。最后，總結(jié)了CS-SIEs在際應用中仍面臨挑戰(zhàn)。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環(huán)境、制藥、食品等領域的工業(yè)應用，最新中科院分區(qū)：8.50/二區(qū)TOP期刊。

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2024年06月08日，國際期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發(fā)表了陽光凈水課題組題為“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”綜述論文。根據(jù)Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述殼聚糖基異相催化劑在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本綜述概述了金屬氧化物/殼聚糖基復合材料（MOs@CSbMs）、金屬硫化物/殼聚糖基復合材料（MSs@CSbMs）、鉍基半導體/殼聚糖基復合材料（BibSCs@CSbMs）、金屬有機框架/殼聚糖基復合材料（MOFs@CSbMs）和納米零價金屬/殼聚糖基復合材料（NZVMs@CSbMs）等5種Cat@CSbMs材料的制備策略及作為助催化劑、光催化劑、類芬頓試劑在處理各類廢水中的應用進展。該綜述不僅加深了對環(huán)境功能材料與環(huán)境污染控制作用的理解，也為未來Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和還原金屬離子等相關領域的研究提供了參考和啟示。該論文自2024年6月發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用53次（Web of Science），國際引用占比73%，2025年5月起入選ESI高被引論文。

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2024年 12 月 24 日，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發(fā)表了 陽光凈水課題組 題為 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 綜述論文。本綜述全面總結(jié)了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高廢水處理和水凈化的有效改性策略，并重點闡述了MoS2bMats在環(huán)境污染物吸附、光催化降解和還原、Fenton高級氧化、PMS/PS活化氧化、廢水脫鹽（膜過濾和太陽能蒸發(fā)脫鹽）等方面的應用。最后，討論并提出了 MoS 2 bMats 理論研究與應用之間存在差距、工程挑戰(zhàn)、未來的研究方向和機遇。 該論文自 2024 年 12 月線上發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用28 次（ Web of Science ）。

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2025年 06 月 ，國際TOP期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》發(fā)表了陽光凈水課題組題為 “Sustainable chitosan-based adsorbents for phosphorus recovery and removal from wastewater: A review” 最新 綜述論文。本文全面綜述了用于廢水中磷回收和去除的殼聚糖基吸附材料（CSMats）的性質(zhì)、改性方法、影響因素。同時，總結(jié)了CSMats吸附去除水體磷的主要作用機理（氫鍵、靜電作用、路易斯酸堿相互作用、配體/離子交換和表面沉淀作用）。此外，還歸納了CSMats的再生方法、連續(xù)流處理和在實際廢水中應用。 最后，討論了 CSMats除磷材料面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。《 International Journal of Biological Macromolecules 》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環(huán)境、制藥、食品等領域的工業(yè)應用，2025年6月最新影響因子/中科院分區(qū)： 8. 50/ TOP 期刊。該論文自 2024 年1 月線上發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用16 次（Web of Science ），2026年1月入選ESI高被引論文。

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2024 年 1 月，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊發(fā)表了陽光凈水課題組題為 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的綜述性論文。更清潔、更安全的環(huán)境是未來最重要的要求之一。與傳統(tǒng)材料相比，殼聚糖具有豐富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和親水性，是一種更環(huán)保的功能材料。由于殼聚糖分子鏈上豐富的 -NH2 和 -OH 基團可以有效地與各種金屬離子螯合，殼聚糖基材料作為金屬氧化物納米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撐基質(zhì)具有巨大的潛力。近年來，許多殼聚糖 / 金屬氧化物納米材料（ CS/MONM ）作為吸附劑、光催化劑、非均相類芬頓試劑和傳感器，在環(huán)境修復和監(jiān)測中具有潛在和實際的應用。本綜述全面分析和總結(jié)了CS/MONMs復合材料的最新進展，這將為CS/MONMs復合材料的制備和廢水處理應用提供豐富而有意義的信息，并有助于研究人員更好地了解CS/MONMs復合材料在環(huán)境修復與監(jiān)測中的潛力。該論文自 2024 年 1 月線上發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用68 次（ Web of Science ），國際引用占比65.0%。

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2024 年 2 月，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發(fā)表了陽光凈水課題組題為 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的綜述性論文。污染物檢測和水凈化對于實現(xiàn)環(huán)境保護和資源利用非常重要。構(gòu)建新型功能材料去除各種污染物也變得越來越重要和緊迫。本綜述總結(jié)了磁性殼聚糖（M-CSbMs）的3種可靠制備策略（原位策略、兩步策略和沉積后策略），并詳細介紹了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金屬離子、有機染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低濃度污染物等方面的研究進展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面臨的挑戰(zhàn)和前景，以期促進其在水凈化和固相萃取污染物方面的實際應用。該論文自 2024 年 2 月發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用 46 次（ Web of Science ）。

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