Воссоздание древесного биомассового каркаса с помощью двухфункциональной модификации лигнина для эффективной и засолоустойчивой солнечной опреснительной технологии

Превращая солнечный свет и древесину в пресную воду

Миллиарды людей живут в регионах с дефицитом чистой питьевой воды, в то время как огромные океаны остаются вне досягаемости, потому что удаление соли дорого и энергозатратно. В этой работе показано, как обычный природный материал — древесина — может быть умно переработан, чтобы превращать солнечный свет напрямую в пресную воду. Переосмыслив роль одного из ключевых компонентов древесины — лигнина, — исследователи создали простое, недорогое устройство, которое плавает на морской воде, поглощает солнечный свет и эффективно производит чистую воду, при этом сопротивляясь накоплению соли.

Почему древесина — удачная отправная точка

Древесина обильна, возобновляема и уже содержит встроенную сеть крошечных каналов, которые могут поднимать воду вверх, как у дерева при движении сока от корней. Эти свойства делают её привлекательным кандидатом для солнечных опреснительных устройств, которые нагревают лишь тонкий поверхностный слой воды, а не большие объёмы, что экономит энергию. Но натуральная древесина имеет два существенных ограничения: она недостаточно сильно поглощает свет, и её внутренняя химия не оптимальна для быстрого испарения. Многие предыдущие разработки пытались решить это, почти полностью удаляя лигнин — клейкий, водоотталкивающий компонент, связывающий волокна — и затем нанося отдельные светопоглощающие покрытия. Такой подход улучшает водопроводимость, но ведёт к утрате лигнина, ослаблению структуры и часто требует дорогих или менее экологичных добавок.

Перепроектирование воды внутри древесины

Эта работа идёт противоположным путём: вместо полного удаления лигнина авторы тщательно регулируют его количество и расположение в древесине. Вода в пористых материалах может находиться в нескольких «состояниях», от плотно связанного до практически свободного. Команда сосредотачивается на создании большего содержания так называемой промежуточной воды — слабо связанной воды, для испарения которой требуется меньше энергии. Сочетая термическую обработку и химическую корректировку, они частично удаляют лигнин и деликатно изменяют его структуру. Измерения с помощью калориметрии и ядерного магнитного резонанса показывают, что при оптимальной температуре обработки (полученный материал они называют W‑150) древесина содержит больше промежуточной воды и меньше плотно связанной или полностью свободной воды. В результате снижается энергия, необходимая для превращения воды в пар, при этом естественная капиллярная способность древесины остаётся высокой.

Переработка лигнина в поверхность, жадную до света

Вместо того чтобы выбрасывать извлечённый лигнин, исследователи повторно используют его, превращая в высокоэффективный слой, поглощающий свет. Они покрывают обработанную древесину восстановленным лигнином и затем подвергают его тонко контролируемой лазерной обработке. Интенсивная энергия перестраивает углеродные атомы лигнина в смесь пористого графитного углерода и тонких, графеноподобных пластин. Этот тёмный, губкообразный верхний слой поглощает солнечный свет в широком диапазоне длин волн и эффективно преобразует его в тепло. Его лабиринт пор не только усиливает поглощение света, но и создаёт множество мелких точек контакта, где транспортируемая вода формирует капли, которые испаряются легче. Полученное устройство, названное E‑150, сочетает оптимизированное управление водой внизу и мощное улавливание света сверху, при этом все компоненты получены из самой древесины.

Быстро, надёжно и устойчиво к соли

При стандартном солнечном освещении E‑150 достигает скорости испарения 2,24 килограмма воды на квадратный метр в час и фототермической эффективности свыше 91%, превосходя большинство ранее описанных древесных испарителей, включая те, что используют металлы или сложные наноматериалы. Поскольку часть лигнина остаётся во внутреннем каркасе, многомасштабные каналы древесины сохраняют целостность и механическую прочность. Такая архитектура позволяет ионам соли двигаться в стороны и возвращаться в окружающую воду вместо кристаллизации и засорения поверхности. В тестах с морской водой и высокосолёными растворами до 10% устройство сохраняет почти ту же скорость испарения в течение многих часов с минимальным образованием соляной корки. Оно также выдерживает многократные циклы сушки и повторного использования без растрескивания или разрушения, в отличие от полностью делигнинированных контрольных образцов.

Что это означает для будущего пресной воды

Проще говоря, исследование показывает, что простое «вымывание» древесины не является лучшим способом превратить её в солнечную установку для опреснения. Сохранив часть лигнина внутри и превратив остальной в высокопроизводительную углеродную оболочку, исследователи преобразовали единый кусок биомассы и в «трубопровод», и в «нагреватель» опреснительной установки. В результате получено масштабируемое устройство полностью на древесной основе, которое эффективно превращает солнечный свет и морскую воду в питьевую воду, противостоит накоплению соли и использует только недорогие, перерабатываемые компоненты. Такое двойное использование лигнина — внутри древесины для управления водой и на поверхности для улавливания света — указывает на практичный и экологичный путь к крупномасштабному солнечному опреснению в прибрежных и засушливых регионах.

Цитирование: 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. Nat Commun 17, 3758 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70270-0

Ключевые слова: солнечное опреснение, материалы на древесной основе, модификация лигнина, межфазное испарение, возобновляемая очистка воды