标题：High-efficiency evaporation induced electricity generation of wood in seawater
通讯作者：Jianwei Song, Wanlin Guo
通讯单位：西安交通大学，南京航空航天大学
DOI：10.1016/j.nanoen.2026.111928
摘要
水伏技术，尤其是由水自然蒸发驱动的发电技术，具有巨大的可持续发展潜力，但其在海水中的性能可能会显著下降。本文发现，磺化天然木材在海水蒸发时甚至比在去离子水中能够更高效地发电。单个磺化枫木器件通过海水蒸发产生 0.97 V 的电压和 15.5 μW·cm⁻² 的功率密度，而在去离子水中分别为 0.77 V 和 6.2 μW·cm⁻²，前者高于已报道的盐环境最佳性能。将四个这样的单元串联和并联，分别得到 2.3 V 的电压和 2.6 mA 的电流。研究表明，钠离子与木材的相互作用以及毛细驱动流与离子传输之间的耦合是诱导发电的根本原因。当木材样品定期用淡水或雨水冲洗时，发电可在 100 小时以上保持稳定。有趣的是，一旦在海水润湿后，木材样品在空气中可以稳定发电超过 7 小时。由于海洋覆盖地球表面的 70%，并通过蒸发吸收大量太阳能，这一发现尤其具有前景。
图文解析
图 1(a) 磺化木材基蒸发诱导发电系统的示意图，该系统可应用于各种水源，包括去离子水、雨水、自来水和海水。(b) 天然木材和磺化木材的微观结构示意图，显示了沿生长方向排列的导管和纤维，以及磺酸基团的引入。(c) 与其他已报道的蒸发驱动发电系统在不同盐度下的性能对比，显示磺化木材在海水条件下具有显著增强的电压和功率密度。图 2 木材样品的微观结构和表征。(a-d) 天然枫木的 SEM 图像：(a) 纵向（生长方向）；(b, c) 横截面视图，显示特征多孔结构和致密的细胞壁；(d) 高倍视图，显示细胞壁表面不明显的纳米纤维。(e-h) S-枫木的 SEM 图像：(e) 纵向（插图：5×5×1 cm 样品照片）；(f, g) 横截面视图，突出磺化后细胞间间距增大（插图：EDS 硫元素分布图，显示细胞壁内均匀分布）；(h) 高倍视图，显示暴露的纳米纤维末端，有利于水分蒸发。(j) 枫木在磺化前后纤维素、半纤维素和木质素的相对含量。(k) 天然木材和磺化木材的抗压强度对比，显示处理对机械稳定性的影响。(l) 天然木材和磺化木材的 Zeta 电位，揭示表面电荷性质的变化。图 3 木材在宽盐浓度范围内的发电性能及其机制。(a) 木材基发电机在去离子水和盐环境中的工作示意图。(b) 1 cm 厚天然枫木在不同 NaCl 溶液中的输出电流和电压。(c) 三种天然木材在高盐度条件下的 Zeta 电位变化。(d) 在最佳电压盐浓度下，1 cm 厚天然枫木内部流动液相中钠离子的离子色谱分析。(e) 不同含水量下天然枫木与 NaCl 以及氧化钠的固态 NMR 谱图。随着湿度增加，在 0 ppm 附近出现一个新峰，归因于自由 Na⁺ 的形成。(f) 掺入 NaCl 前后天然木材的 XRD 图谱。(g) 1 cm 厚 S-枫木在不同 NaCl 浓度下的输出电压和电流，并与天然枫木的最大电压对比。(h) 三种木材在磺化前后于海水中的电化学阻抗谱对比，电极沿木材纵向两端施加。图 4 磺化木材在 1 倍太阳辐照下的发电性能。(a) 专用于高性能蒸发诱导发电的磺化木材结构设计示意图。(b) 1 倍太阳辐照下 S-枫木（5×5×5 cm）的照片及相应的表面温度。(c) S-枫木在去离子水和海水中高度依赖的电压。(e) 文献中代表性流动电位器件的电压输出趋势，显示随 NaCl 浓度增加而下降，并在高浓度时趋近于零 [1,3,37]。(f) 磺化木材在多种代表性水源（去离子水、雨水、自来水和海水）中的电压输出。(g) 磺化木材基海水蒸发诱导发电的工作机理示意图。(h) 5×5 cm 木材横截面的有限元模拟电势分布结果。(i) 5 cm 高木材中从顶部到底部中心界面上钠离子浓度与电压的关系曲线。图 5 基于 S-枫木的海水蒸发驱动发电单元的集成与稳定性评估。(a) 单个 S-枫木单元（器件 1-4）以及四个单元串联和并联配置在海水中的 I-V 特性。插图：四个串联 S-枫木单元在无额外太阳光照下点亮五个并联 LED 灯泡的照片。(b) 由四个串联 S-枫木单元直接充电的 100 μF、220 μF 和 470 μF 商用电容器的电压-时间充电曲线。插图：S-枫木驱动五个并联 LED 并为电容器充电的电路示意图。(c) S-枫木基发电系统在海水中的可扩展性。输出电压（上）和电流（下）分别随串联或并联单元数量的增加而增加。(d) 移除底部海水后，5 cm 高 S-枫木的输出电压，显示无需额外海水供应或外部光照即可持续发电。(e) 在模拟昼夜循环（8 小时光照，7.5 小时黑暗）下，S-枫木单元在海水中的长期稳定性测试。(f) 示意图说明磺化木材基水伏技术在智能农业中的优势，突出其通过水实现集成传感、监测和能源供应的潜力。结论
本研究建立了一个基于天然木材的可持续海水蒸发驱动能量收集平台，集成了高输出性能、环境适应性和长期运行稳定性。通过简单的磺化处理，天然木材被转化为功能性材料，保留了其固有的定向微通道，从而能够在去离子水和盐环境中产生显著的流动电位并维持持久的离子梯度。在阳光下，磺化枫木通过海水蒸发产生高达 0.97 V 的电压和 15.5 μW·cm⁻² 的功率密度，比最先进的 seawater 蒸发驱动发电机的功率高出一个数量级。易于扩展的模块化组装可将电压提升至 2 V 以上、电流提升至 2 mA 以上，无需外部电路即可直接驱动商用电子设备。值得注意的是，该器件仅利用内部 3 wt% 海水即可在空气中自主运行长达 7.7 小时，并且经过简单的雨水脱盐步骤后可保持超过 100 小时的循环稳定性——展示了其耐久性和自可持续性。这项工作为海洋资源的高效利用提供了新见解，并有望为环境监测、可持续农业及相关领域提供可靠便捷的电力解决方案。
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