文獻前沿| Nat. Commun. ：雙重調控木質素生物質框架實現高效耐鹽太陽能海水淡化

界面太陽能蒸發是應對全球淡水危機的有效方案，但現有木質蒸發器常面臨水分管理不佳與光熱轉換效率受限的挑戰。針對此問題，本文開發了一種雙功能木質素工程再造木框架策略，通過醇水體系預處理精準調控木質素的含量與結構，誘導產生高比例的低蒸發焓中間水，并利用激光誘導石墨化技術將回收木質素轉化為具有黑體效應的層級石墨烯/石墨碳光熱層。該策略實現了光熱管理與水分管理的協同增強，在顯著提升蒸發性能的同時，憑借保留的多級通道結構賦予了蒸發器優異的耐鹽性、凈化能力及循環穩定性。相關工作以Reconstitution of woody biomass framework via dual-functional lignin engineering toward efficient and salt-resistant solar desalination為題發表在Nature communications期刊。

本文提出了一種木質素工程再造木材框架策略，木質素降低蒸發焓的同時通過激光蝕刻回收并處理成石墨碳、石墨烯復合光熱層，實現水分管理與光熱管理的協同優化（圖1）。研究人員通過精準調控木質素殘留量，利用其疏水苯環結構改變水分子的氫鍵環境，誘導W-150樣品產生高比例的低蒸發焓“中間水”，使其黑暗條件下的蒸發焓顯著降低至 1397J/g（圖2）。隨后，利用激光誘導石墨化技術將回收的木質素原位轉化為具有多級孔隙結構的層級石墨烯/石墨碳復合光熱層，實現了高達95.48%的全波段太陽光吸收率（圖3）。在這種高效光熱轉換與低能耗蒸發的共同驅動下，E-150蒸發器在1個太陽輻射下實現了2.24kg·m-2·h-1的蒸發速率和91.52%的光熱轉換效率（圖4）。此外，由于部分木質素的保留維持了木材天然多級通道的完整性，該設備在真實海水中表現出卓越的抗鹽結晶性能、高度的機械可回收性以及穩定的戶外實用潛力（圖5）。

圖1蒸發器的制備工藝與內部增強機制示意圖。(a)木質素工程再造木框架策略的流程示意圖。(b)木質素在木基太陽能蒸發器的水分管理與熱量管理中的雙重功能展示。

圖2木質素含量對木材內部水分狀態的影響研究。(a) W-150中水分子與分子鏈相互作用及水分存在狀態的示意圖。(b)基于定量二維異核單量子相關核磁共振譜（2D-HSQC NMR）計算的結構單元比例。(c)通過暗室蒸發實驗測得的W-A與W-150中水分的蒸發焓。(d)纖維飽和狀態下W-A與W-150的橫向弛豫時間（T2）分布曲線。(e)纖維飽和狀態下W-A的T1-T2相關譜圖。(f)纖維飽和狀態下W-150的T1-T2相關譜圖。

圖3.頂層光熱層的微觀結構與吸光性能表征。(a)通過激光蝕刻木質素制備石墨烯的原理示意圖。（b）C-150與E-150的表面潤濕性（接觸角）測試對比。(c)激光蝕刻前后的掃描電子顯微鏡（SEM）對比圖像。（d）E-150表面層的橫截面SEM圖像。（e）E-150表面在不同尺度（微米至納米級）下的SEM與高分辨透射電鏡（HR-TEM）圖像。（f）E-150光熱轉換層的拉曼光譜分析。（g）木質太陽能蒸發器的太陽光吸收率曲線及標準太陽輻射光譜（AM 1.5 G）。（h）激光蝕刻制備的大尺寸木質太陽能蒸發器實物照片。

圖4再造木蒸發器的光熱蒸發性能測試與評價。(a)在一個太陽輻射下E-W、E-A和E-150的蒸發速率隨時間變化的曲線。(b)不同木質素含量的木質蒸發器在一個太陽輻射下的穩定蒸發速率。(c)激光功率對木質太陽能蒸發器蒸發速率的影響。(d) E-150表面溫度隨時間變化的紅外熱成像圖。(e)E-W、E-A和E-150在一個太陽輻射下的光熱轉換效率對比。(f)本研究與已報道的木質太陽能蒸發器在蒸發速率和效率方面的性能對比。(g)本研究與文獻中其他蒸發器在制備難度、成本、環境友好性等維度的綜合性能評估。

圖5蒸發器的多功能性表現：耐鹽、循環穩定性與凈化。(a) E-150抵抗鹽結晶的機制示意圖。(b) E-150在不同鹽度（3.5%至25.0%）鹽水中的蒸發速率。(c) E-150的戶外水分蒸發實驗裝置照片。(d)戶外實驗中同步記錄的太陽輻照強度與E-150蒸發速率的變化圖。(e)E-150在真實海水中連續蒸發12小時的速率穩定性及鹽結晶情況照片。(f) E-A與E-150在回收利用前后的實物對比照片。(g) E-150在真實海水中進行10次連續循環測試（每次4小時）的平均蒸發速率。

小結：本文報道了一種基于雙功能木質素工程的再造木框架太陽能蒸發器制備策略，成功突破了傳統木質蒸發器在水分管理與光熱效率上的瓶頸。研究的核心在于通過保留約 16.70% 的木質素來精準調控木材內部的氫鍵網絡，從而誘導產生大量低能耗的中間水，將水分蒸發焓顯著降低。與此同時，回收的木質素被轉化為具有層級孔隙結構的石墨烯/石墨碳光熱層，實現了 95.48% 的超高太陽光吸收率。其蒸發速率為2.24千克平方米小時，單日照射下光熱轉化效率達91.52%，優于大多數已報道的木質蒸發器。此外，部分木質素的存在保障了木材天然多級通道的完整性，使設備具備了優異的耐鹽性、結構剛性及可重復循環利用的實用價值。

論文信息：Wang B, He Y, Yang Z, et al. Reconstitution of woody biomass framework via dual-functional lignin engineering toward efficient and salt-resistant solar desalination[J]. Nature Communications, 2026. https://doi.org/10.1038/s41467-026-70270-0

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