工业废水，尤其是含有铬、镍、铜、铅等重金属离子的废水，对生态系统和公共健康构成严重威胁。传统水处理方法如吸附、反渗透和混凝等虽有一定效果，但太阳能驱动界面蒸发技术因其绿色、可持续的能源优势而备受关注。然而，该技术在实际应用中仍面临两大挑战：传统光热材料成本高昂，且在重金属离子环境中易被腐蚀，导致效率急剧下降。近日，四川大学李乙文研究员、Yang Zhen合作提出了一种基于木质素的金属复合材料（MLC），通过一步法反应将木质素与含重金属废水结合，成功制备出具有优异光吸收和光热转换性能的材料。该材料可通过3D打印技术制成蒸发器，在1太阳光照下蒸发速率高达2.88 kg m⁻² h⁻¹，并在海水和重金属废水中均表现出色。连续运行7天未出现性能衰减，且净水成本低至0.372美元/立方米，低于行业平均水平，甚至接近反渗透脱盐的最低成本纪录。相关论文以“Robust Sustainable Interfacial Evaporators from Lignin for Wastewater Treatment”为题，发表在Advanced Materials上，论文第一作者为Liu Chen。研究人员通过调控木质素与铜离子的配比，合成出一系列不同金属掺杂的MLC材料（AL-1至AL-5）。随着铜离子含量的增加，材料黑度显著降低，光吸收能力全面提升。紫外-可见-近红外光谱显示，MLC在整个太阳光谱范围内吸收均增强，尤其是AL-3表现出最优性能。其光热转换效率最高达84.4%，远高于原始木质素的31.2%。进一步的结构表征表明，铜离子的引入不仅促进了木质素中酚结构向醌结构的氧化，还形成了Cu→O和Cu→N配位键，显著降低了材料的带隙，增强了可见光区域的吸收。
图1. 金属-木质素复合材料的制备与表征 a) MLC设计与合成示意图 b) AL-i（i=0–5）的L*值与Cu²⁺浓度 c) AL-0与AL-3的光学照片 d) AL-i的紫外-可见-近红外漫反射光谱 e) AL-i的能级示意图 f) 在808 nm激光照射下AL-i的升温与冷却曲线 g) AL-i在808 nm激光下的总光热效率 h) 不同时间点下AL-i的红外图像 i) AL-i表面最高温度随时间变化曲线
136, 136);">图2. 金属-木质素复合材料的结构分析与光增强机制 a) AL-0和AL-3的XPS O 1s谱 b) AL-i中C=O键比例 c) AL-3的XPS Cu 2p谱 d) AL-0和AL-3的FT-IR谱 e) AL-0和AL-3的拉曼光谱 f) AL-3与AL-NN的固态EPR谱 g) AL-0和AL-3的XPS N 1s谱 h) AL-i中氮与铜含量 i) M1–M5归一化后的计算紫外-可见-近红外吸收光谱 j) M1–M3在激发态下的电子-空穴分布可视化图像 研究还首次发现，木质素在反应中扮演表面活性剂的角色，调控氧化铜（CuO）纳米颗粒的形成。这些CuO颗粒均匀分散在复合材料中，极大增强了材料在近红外区域的光吸收能力。随着铜离子投料比增加，CuO粒径从约10纳米逐渐增大至200–400纳米，而粒径较小的CuO更有利于光吸收。这一机制为高分子复合材料的光吸收性能调控提供了新思路。
图3 CuO的形成机制及其对光吸收的增强作用 a) CuO的紫外-可见-近红外漫反射光谱 b) AL-i的TEM图像及AL-5的EELS元素分布图 c) AL-5的高分辨TEM图像及FFT图 d) AL-5、CuO、Cu(OH)₂和Cu(CH₃COO)₂的XRD图谱 e) AL-i的DTG曲线 f) 不同粒径CuO的紫外-可见吸收光谱 g) AL-i中CuO纳米颗粒的粒径统计 h) CuO形成机制示意图 i) 不同pH条件下制备的CuO与Cu(OH)₂的SEM图像 j) 所制备CuO与Cu(OH)₂的XRD图谱
为验证该策略的普适性，研究团队还尝试了其他金属离子（如Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cr³⁺）以及不同阴离子、碱类型和木质素变体，均成功合成出具有增强光热性能的MLC材料。所有材料在模拟太阳光下均表现出快速升温和高工作温度，显示出良好的通用性和稳定性。
图4. 金属-木质素复合材料制备的普适性验证 a) AL-i（i=6–9）的金属离子浓度 b) AL-i中C=O键比例 c) AL-i中氮含量 d) M6–M13的计算紫外-可见-近红外吸收光谱 e) AL-i的TEM图像 f) AL-i的L*值及光学照片 g) AL-i的紫外-可见-近红外漫反射光谱 h) AL-i表面最高温度随时间变化曲线 i) AL-i（i=10–12）的L*值及光学照片 j) AL-i（i=10–12）的表面温度曲线 k) AL-i（i=13–17）的L*值及光学照片 l) AL-i（i=13–17）的表面温度曲线 m) 不同木质素类型的L*值及光学照片 n) 不同木质素类型的表面温度曲线 基于最优性能的AL-3材料，团队通过3D打印技术制备了具有仿生微通道结构的蒸发器（3DAL@Cu）。该蒸发器在纯水、海水和重金属废水中均表现出高蒸发速率，且具备优异的耐盐性和长期稳定性。循环测试表明，其蒸发速率在14个周期内仍保持在2.5 kg m⁻² h⁻¹以上，处理后的水质符合电镀污染物排放标准甚至饮用水标准。
图5. 金属-木质素复合材料的水处理应用 a) 3D打印蒸发器制备过程及蒸发装置示意图 b) 3DAL与3DAL@Cu蒸发器的光学照片 c) 不同材料添加量下3DAL@Cu系统的质量变化曲线 d) 3DAL@Cu-11在不同水体中的蒸发性能 e) 3DAL与3DAL@Cu-11的表面温度曲线 f) 纯水及不同蒸发器中水的蒸发焓 g) 3DAL@Cu-11在废水处理中的循环性能 h) 循环测试中蒸发器表面形态照片 i) 处理前后废水中金属离子浓度 j) 户外太阳能蒸发实验现场图 k) 户外实验中不同时间的蒸发速率与光照强度 l) 3DAL@Cu-11的材料成本与成本效益对比 户外实验进一步验证了其实际应用潜力。在自然光照下，蒸发器可实现2.85 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，日均净水量达17.5 L/m²。经济性分析显示，其成本效益显著高于目前已报道的太阳能蒸发器。
最后，研究团队直接使用真实电镀废水与木质素反应制备MLC，并成功用于蒸发器制备（3DAL@W）。该蒸发器在废水处理中表现出与实验室样品相近的性能，连续运行7天未出现性能衰减，且能有效去除多种金属离子，净化水质符合农业灌溉和饮用水标准。技术经济分析表明，其净水成本低至0.372美元/立方米，具备显著的市场竞争力。
图6. 基于电镀废水的可持续金属-木质素复合材料用于水处理 a) MLC制备与水处理流程示意图 b) AL-18与AL-19的L*值及光学照片 c) AL-18与AL-19的表面温度曲线 d) 3DAL@W在不同水体中的蒸发曲线 e) 3DAL@W在废水处理中的循环性能（插图為表面形态照片） f) 处理前后废水中金属离子浓度 g) 废水处理后的水质分析结果 h) 不同水体灌溉9天后豌豆茎部照片 i) 3DAL@W的技术经济分析成本构成 j) 3DAL@W与其他水处理技术的成本对比该研究不仅为低成本、高效率的太阳能驱动废水处理技术提供了新思路，还首次揭示了配位场平衡对高分子复合材料光吸收行为的调控机制，为生物质高分子在环境修复中的应用开辟了新的道路。
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