1.
研究背景
水蒸发发电利用蒸发驱动的水分输运及固液界面的电荷分离，将水与材料相互作用过程中产生的电势转化为电输出。天然木材具有沿木纹排列的微通道，可为水和离子提供定向传输路径，是构筑生物质基水蒸发发电材料的良好骨架。华南师范大学张振课题组前期对巴沙木进行脱木质素处理，提高巴沙木的比表面积、亲水性和表面电荷密度，从而制备了以脱木质素的巴沙木为核心的水蒸发发电机（Water
evaporation-induced electricity generators, WEIGs）（Advanced Functional Materials. 2024, 34,
2314231）。然而木材微米级通道内的有效带电界面、表面电荷、吸光能力、水蒸发速率等仍然有限，制约着木材基WEIG的输出。
2.
成果简介
华南师范大学张振课题组以天然轻木为骨架，通过脱木质素（delignification）、纤维素纳米晶（cellulose nanocrystal，CNC）浸润和表面碳化，构筑兼具带电亲水内部网络与光热导电表面的功能木材，实现水蒸发发电与界面太阳能蒸发性能的共同提升。在一个太阳光照条件下，所构筑器件SDWCG的开路电压达到 0.52 V，短路电流约为 3.8 mA，最大输出功率为 17 μW；材料的水蒸发速率达到 2.0 kg·m?2·h?1。该成果以Cellulose Nanocrystal-Infiltrated and
Surface-Carbonized Delignified Wood for Enhanced Hydrovoltaic Energy Generation
and Interfacial Solar Evaporation发表在Carbohydrate Polymers上（Carbohydrate Polymers 2026, 393, 125932）。
3.
图文导读
该研究首先对轻木进行脱木质素处理，暴露纤维素骨架，获得脱木质素木材（DW）；随后将纤维素纳米晶（CNC）引入木材孔道，经冷冻干燥形成含 CNC 的内部网络，得到 DWC；最后仅对其中一侧表面进行局部碳化，构筑表面碳化的 CNC 浸润木材（SDWC）。这一结构使内部亲水网络与表面碳层分别参与持续供水和带电界面调控，以及吸光产热和电荷收集。
Figure 1. Schematic illustration of the
fabrication of cellulose nanocrystal-infiltrated and surface-carbonized
delignified wood (SDWC) with increased surface area, surface charge, and water
evaporation, highlighting its applications in enhanced hydrovoltaic energy
generation and interfacial solar evaporation.
扫描电镜观察显示，脱木质素木材保留了天然定向孔道。浸润后的 CNC 沉积在孔壁，并在部分孔道内形成片状组装结构，使原有微米级通道获得更多纳米纤维素界面。单面碳化后，表面仍保留多孔结构，有利于内部水传输路径与蒸发表面的连通。研究进一步在材料两侧组装碳浆涂覆的聚丙烯网电极，得到 SDWC 基水蒸发发电器件（SDWCG）。
Figure 2. (a) Side-view photographs of the DW,
DWC, and SDWC wood samples and the assembled SDWCG device. SEM images of (b)
the cross section of DW, (c) CNCs, (d) the cross section of DWC, and (e) the
carbonized surface of SDWC.
Figure 3. FTIR spectra of BW, DW, and DWC over
the ranges of (a) 4000–400 cm?1 and (b) 1800–800 cm?1. (c) XRD patterns of BW, DW, DWC, and the carbonized surface of SDWC.
(d) XPS survey spectra and (e) high-resolution C 1s and O 1s spectra of DW,
DWC, and the carbonized surface of SDWC. (f) Relative areas of the fitted C 1s
and O 1s components; the proportions depend on the deconvolution model.
CNC 浸润后，木材的 BET 比表面积由 1.19 m2·g?1 增加至 2.88 m2·g?1，Zeta 电位由 ?28.5 mV 变为 ?33.6 mV。比表面积增加和表面负电性增强，为形成更多带电固液界面提供了实验支持。与此同时，CNC 浸润木材仍能快速吸水，水滴可在约 2 s 内完全渗入，说明内部界面调控保留了材料的供水能力。
Figure 4. (a) Zeta potentials of BW, DW, DWC, and
CNCs. (b) N? adsorption–desorption isotherms and (c) BET specific surface areas
of BW, DW, and DWC.
带负电的 CNC 界面可吸引水中的反离子，形成电双层。在蒸发和毛细作用驱动的水流中，界面附近可迁移的反离子随水输运，有助于建立电势差。CNC 在木材孔道中的沉积增加了水与带电表面接触的机会，为提升水蒸发发电输出提供了界面基础。
Figure 5. (a)The initial apparent water contact
angles of DW, a CNC film, DWC, and the carbonized surface of SDWC. (b) Absorbed
water contents of BW, DW, DWC, and SDWC as a function of immersion time. (c)
Time-resolved images showing water-droplet absorption by DW, a CNC film, DWC,
and SDWC.
单面碳化为木材引入了吸光表层。紫外可见近红外反射光谱显示，与天然木材和脱木质素木材相比，SDWC 的反射率明显降低，表明其宽波段吸光能力得到改善。研究通过保留内部亲水通道，使吸光表面获得持续水分补给，以促进界面蒸发。
在模拟一个太阳光照条件下（1000 W·m?2），SDWC 的蒸发速率由暗条件下的 1.1 kg·m?2·h?1 增加至 2.0 kg·m?2·h?1，明显高于相同光照条件下脱木质素木材的 1.2 kg·m?2·h?1。这一结果显示了表面碳化对太阳能蒸发的促进作用，也为材料用于太阳能海水淡化和水处理提供了研究基础。
Figure 6. (a) UV–vis–NIR reflectance spectra of
BW, DW, and SDWC. (b) Cumulative evaporation mass losses of DW and SDWC samples
(4 cm × 4 cm) under dark conditions and simulated one-sun illumination as a
function of time.
为比较两种改性方式的作用，分别构筑了脱木质素木材、CNC 浸润木材、表面碳化木材及二者结合的木材基器件。对照结果表明，CNC 浸润有助于提高器件电压，而表面碳化对光照下的电流输出具有较明显的促进作用。结合两种处理的 SDWCG 获得了最高的开路电压和最大输出功率。
Figure 7. Time-dependent (a, b) open-circuit
voltage (Voc) and (c, d) short-circuit current (Isc) of
DWG, DWCG, SDWG, and SDWCG under (a, c) dark conditions and (b, d) simulated
one-sun illumination. The DWG, DWCG, SDWG, and SDWCG devices were initially
dry, and recording began after contact with water with a height of 0.5 cm.
在暗条件下，SDWCG 的开路电压为 0.38 V，短路电流约为 10 μA，最大输出功率约为 4.3 μW。在一个太阳光照条件下，开路电压和短路电流分别达到 0.52 V 和约 3.8 mA；负载测试测得最大输出功率为 17 μW，按 16 cm2 的器件投影面积计算，功率密度为 10.6 mW·m?2。相较于脱木质素木材基器件，其光照下开路电压提高 52.9%，短路电流达到约 3.2 倍，最大输出功率达到约 2.2 倍。
这些结果支持了内部带电界面与碳化表面共同改善器件输出的设计思路。研究认为，CNC 网络有助于界面离子分离和输运，碳化表面则结合了光热蒸发与电荷收集功能，从而使两种改性方式在同一木材骨架中发挥互补作用。
Figure 8. Load-dependent
electrical output characteristics of the WEIG devices, which were wetted and saturated
by water before the load-dependent measurements. Output voltage and current of
(a) DWG, (b) SDWG, (c) DWCG, and (d) SDWCG under dark conditions, and (e) the
corresponding output power as a function of external load resistance. Output
voltage and current of (f) DWG, (g) SDWG, (h) DWCG, and (i) SDWCG under
simulated one-sun illumination, and (j) the corresponding output power as a
function of external load resistance.
4.
论文信息
Yongxing Chen#, Xiujie
Cai#, Lin Dong, Yelin Hou, Hui Peng, Liangyong Chu, Yingzhan Li, Zhen Zhang*. Cellulose
Nanocrystal-Infiltrated and Surface-Carbonized Delignified Wood for Enhanced
Hydrovoltaic Energy Generation and Interfacial Solar Evaporation. Carbohydrate Polymers
2026, 393, 125932.
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2026.125932