林科院木材所王小青团队CEJ：受苹果叶的双层J

　　太阳能驱动的界面蒸发是一种新兴且极具潜力的海水淡化手艺。做为一种可持续的生物质材料，木材具有奇特的多层级布局和丰硕的孔隙构制，兼具优良的亲水性取低导热性，是一种天然的太阳能界面蒸发器基体材料。然而，因为天然木材缺乏高度连通的大孔布局，正在持久运转过程中或高浓度盐水前提下，木基蒸发器概况易积盐而其现实使用。针对上述问题，课题组前期以层状木材海绵为基材，通过负载碳纳米管对其概况进行功能化润色，创制了具有优异抗积盐机能的木材海绵蒸发器，可正在高盐度水中连结不变的蒸发机能（ACS Applied Materials & Inteces 2023， 15， 38100-38109）。虽然如斯，因为布局设想的，这类保守木基蒸发器（“纵切面型”和“横切面型”）仍然难以协同阐扬木材各向同性布局正在水分传输和隔热方面的劣势来实现高效的界面蒸发。此外，保守木基蒸发器凡是将光接收和水蒸能集成正在统一概况，使得入射太阳光和发生的水蒸气之间彼此干扰进而导致不成避免的能量丧失，了器件的蒸发机能。受苹果叶片单向蒸腾感化的，中国林科院木材工业研究所王小青团队报道了一种光接收-水蒸颁发面分手的双层Janus木基蒸发器（BJWE），可无效避免光-蒸汽彼此干扰从而实现高效的太阳能驱动界面蒸发。该双层木基蒸发器以纵向木片（LP）为水传输层，以浸渍PDMS的碳化横向木片（CPTP）为光热层，通过导热胶黏合制得。此中，亲水性纵向木片通过竖曲定向陈列的细胞通道将水传输至蒸颁发面，而疏水性碳化横向木片则可实现快速的光热，并凭仗其高导热性将热量快速传导至水传输层用于高效水蒸发，同时避免了生成的蒸汽从光热层逸出导致的能量损耗。得益于奇特的双层布局设想，BJWE正在1个尺度太阳映照前提下展示出了高蒸发速度（2。12 kg m-2 h-1）和蒸发效率（92。3%），优于之前报道的大部门木基蒸发器。此外，BJWE还具有优良的抗积盐机能，且能无效净化各类废水（如无机染液和乳液）。这种 Janus界面布局设想为开辟高机能太阳能界面蒸发器供给了一种新策略。图2 双层Janus木基蒸发器的微不雅描摹布局表征。（a）BJWE的建立策略；（b）BJWE实物照片；（c和d）水传输层SEM图片；（e和f）光热层SEM图片；（g）双层布局胶合界面SEM图片。因为木材的各向同性布局，其纵向的热-质传输较横向更为高效。鉴于此，本研究以低密度轻木（~80 mg cm-3）的纵向木片（LP）为水传输层（~400 µm），以浸渍PDMS的碳化高密度轻木（~400 mg cm-3）的横向木片（CPTP）为光热层（~1 mm），通过导热胶黏合制得双层Janus蒸发器。低密度纵向木片细胞壁薄且孔隙率较高，具有高度亲水性（水接触角约为0°），有益于水分正在毛细管力感化下通过竖曲细胞通道快速向上传输。高密度横向木片（TP）细胞壁厚，木材本色占比高，经炭化后可获得优异的光热机能并显著提拔其导热能力，推进热量从光热层向水传输层的快速传输。疏水改性处置后，炭化横向木片（CTP）的细胞孔道被固态PDMS完全填充，展示出相对密实的布局，且疏水性显著提拔（水接触角可达142°），可实现光接收-水蒸颁发面分手，水传输层发生的蒸汽从光热层概况逸出。此外，水传输层取光热层之间薄而慎密的胶合界面（~100 µm）有帮于实现快速的界面传热，推进高效的太阳能驱动界面蒸发。图3 BJWE的光热取传热机能。（a）分歧样品的光接收率；（b）蒸发形态下器件光热层取水传输层概况的红外热像图（1个尺度太阳）；（c）响应的温度变化曲线；（d）双层布局界面传热效率；（e）蒸发形态下Janus木基蒸发器取文献报道的木基蒸发器概况均衡温度对比（1个尺度太阳）。颠末炭化处置后，CTP正在200-2500 nm的宽波长范畴内展示出93。68%的平均光接收率，较着高于未经炭化处置的木材（35。78%）。红外热成像图取温度-时间变化曲线显示，当光热层概况遭到光照后（1个尺度太阳），光热层和水传输层的概况温度正在2 min均随时间的迁徙而快速上升，且正在15 min后各自不变正在54 oC和45oC摆布，界面传热效率可达83。3%。上述成果表白，BJWE具有优异的光热机能及优良的界面传热能力。这种优异的热办理能力可归因于以下3个方面：1）BJWE光接收面（疏水）和水蒸发面（亲水）分手的 Janus 布局可从底子上避免光-蒸汽干扰，从而最大限度地削减能量丧失；（2）奇特的 T 型布局设想能无效地将光热层取水体分手，进而削减热能丧失；3）各向同性的布局设想使得器件中热质传输标的目的错位，可将生成的热量更好地限域正在光热层中。综上， 这些布局劣势有帮于BJWE高效操纵太阳能从而提高其蒸发机能。图4 BJWE的蒸发机能。（a）BJWE太阳能驱动界面蒸发过程图示；（b）BJWE蒸发过程实物照片（5个尺度太阳）；（c-f）具有分歧厚度及密度水传输层（c 和 d）和光热层（e 和 f）的 BJWE 蒸发速度随时间的变化（1个尺度太阳）；（g）BJWE的水示企图；（h）水宽度对BJWE蒸发机能的影响；（i）BJWE 取分歧类型蒸发器的蒸发机能比力（1个尺度太阳）。为了证明 BJWE 光接收取水蒸发过程的解耦合，正在高光照强度前提下（5个尺度太阳）可清晰看见蒸汽仅从水传输层概况闲逸而非光热层概况，表白BJWE光接收-水蒸颁发面的成功分手。成果显示，减小水传输层的厚度及密度有帮于添加其气体渗入性和降低水蒸发焓，而减小光热层的厚度和增大其密度则有益于缩短光热层程度传热径和提高导热系数，均可提拔器件的蒸发机能。1个尺度太阳前提下，具有薄（400 µm）且低密度（80 mg cm-3）水传输层和薄（1 cm）且高密度（400 mg cm-3）光热层的BJWE具有2。03 kg m-2 h-1的最优蒸发机能。因为蒸发过程中水同时影响器件的热-质传输，因而除木材厚度和密度外，水宽度也会影响器件蒸发机能。研究显示，恰当降低水宽度有益于实现水分传输和能量损耗的均衡，从而推进高效的界面蒸发。水宽度为1 cm时，BJWE最佳蒸发速度为2。12 kg m-2 h-1，蒸发效率为92。3%。图5 器件的抗积盐、水体净化及户外蒸发机能。（a）BJWE正在 3。5 wt%的盐水中持续运转分歧时间后光热层和水传输层照片（1个尺度太阳）；（b）持续8h运转器件的蒸发速度变化；（c）便宜水收集安拆图示；（d）淡化前后模仿海水中四种次要离子的浓度；（e）净化前后溶液中亚甲基蓝浓度；（f）净化前后乳液中总无机碳浓度；（g）户外蒸发机能测试。得益于奇特的布局设想，BJWE具有优良的抗积盐机能。一方面，光热层中疏水性PDMS的引入完全了盐水的渗入，因而避免了盐分正在其概况的堆积；另一方面，水传输层竖曲的细胞通道供给了一个导流的径，盐水正在毛细管力感化下向上传输，构成了竖曲标的目的上的盐度梯度，一旦盐水达到饱和浓度，盐晶会正在水传输层的顶部边缘析出而不会呈现正在蒸颁发面。得益于器件优良的抗积盐机能，BJWE正在持续8 h运转过程中其蒸发机能不变正在1。97-2。06 kg m-2 h-1。颠末太阳能脱盐后，盐溶液中各金属离子的去除率接近100%，达到世界卫生组织（WHO）的饮用水尺度，表白BJWE具有优良的水净化能力。此外，BJWE对亚甲基蓝溶液和水包油乳液等多种废水同样具有优良的净化能力。户外试验显示，正在天然光照强度、风速及温度的协同感化下，BJWE展示出了较高的蒸发机能（2。3 kg m-2 h-1），证了然其优良的现实使用潜力。受苹果叶片单向蒸腾感化的，得益于奇特的布局设想，BJWE 不只能够避免光取水蒸气的彼此干扰，还能协同阐扬木材各向同性布局正在水分传输和隔热方面的劣势，从而削减能量丧失，提高器件的蒸发机能。颠末布局优化的 BJWE正在1个尺度太阳映照前提下展示出了高蒸发速度（2。12 kg m-2 h-1）和蒸发效率（92。3%），优于之前报道的大部门木基蒸发器。此外，这种 Janus界面布局设想为开辟高机能太阳能界面蒸发器供给了一种新策略。