【成果掠影 & 研究背景】

海水蒸發(fā)誘導(dǎo)發(fā)電（SEG）技術(shù)是一種新興的水能耦合技術(shù)，有望同時產(chǎn)生綠色電力和淡水，以緩解全球能源和淡水危機。然而，傳統(tǒng)SEG設(shè)備在海水蒸發(fā)過程中存在離子非選擇性傳輸問題，導(dǎo)致嚴(yán)重的Debye屏蔽效應(yīng)，輸出電流通常低于10微安，限制了其實際應(yīng)用。太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)為SEG提供了可持續(xù)動力，但缺乏有效的離子調(diào)控策略，導(dǎo)致能量效率低下。

本研究開發(fā)了一種基于離子工程水凝膠的太陽能SEG（SSEG）系統(tǒng)，通過分子級離子控制實現(xiàn)了突破性性能。該系統(tǒng)采用聚乙烯醇（PVA）、Cu(TFSI)?和GdmCl制備的水凝膠，利用金屬-聚合物配位和離子優(yōu)先結(jié)合的協(xié)同效應(yīng)，構(gòu)建化學(xué)門控機制，選擇性促進陰離子傳輸并抑制陽離子誘導(dǎo)的Debye屏蔽。實驗結(jié)果顯示，SSEG在AM1.5G光照下峰值電流達1.2毫安，比現(xiàn)有SEG設(shè)備提升1-2個數(shù)量級；同時淡水產(chǎn)量超過2.0千克/平方米/小時，能量利用效率高達93.3%。此外，系統(tǒng)還能從濃縮海水中回收滲透能，功率密度達16.7瓦/平方米，實現(xiàn)了水電聯(lián)產(chǎn)與資源循環(huán)利用。

【創(chuàng)新點 & 圖文摘要】

創(chuàng)新點：

• 提出離子工程水凝膠概念，通過化學(xué)門控機制實現(xiàn)分子級離子選擇性傳輸，陰離子遷移數(shù)提升至0.83。

• 結(jié)合金屬-聚合物配位（如Cu2?與PVA羥基結(jié)合）和離子優(yōu)先結(jié)合（Gdm?與TFSI?強關(guān)聯(lián)），協(xié)同增強陰離子擴散系數(shù)。

• 設(shè)計分層結(jié)構(gòu)SSEG設(shè)備，將光熱蒸發(fā)層（CNT）與離子調(diào)控層解耦，同步優(yōu)化蒸發(fā)效率（2.64千克/平方米/小時）和發(fā)電性能。

• 實現(xiàn)毫安級電流輸出（1.2毫安），并利用殘余海水通過反電滲析產(chǎn)生藍色能源，提升系統(tǒng)可持續(xù)性。

• 水凝膠具備抗鹽結(jié)晶能力，連續(xù)運行100小時無性能衰減，室外集成系統(tǒng)穩(wěn)定工作30天。

• 通過全天氣運行機制，白天利用太陽能發(fā)電產(chǎn)水，夜間回收滲透能，實現(xiàn)水電聯(lián)產(chǎn)全天候化。

Fig. 1: SSEG的設(shè)計和工作原理

Fig. 2: 具有金屬配位和離子優(yōu)先結(jié)合的PVA/Cu(TFSI)?-GdmCl水凝膠設(shè)計原理

Fig. 3: 離子工程水凝膠的表征和性能

Fig. 4: SSEG發(fā)電性能影響因素分析

Fig. 5: SSEG的可擴展集成和戶外應(yīng)用

【總結(jié) & 原文鏈接】

本研究成功開發(fā)了一種離子工程水凝膠驅(qū)動的太陽能水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，通過分子級離子調(diào)控解決了海水蒸發(fā)發(fā)電中的Debye屏蔽難題。該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了毫安級電流輸出和高效淡水生產(chǎn)，還創(chuàng)新性地整合了滲透能回收功能，顯著提升了能源利用效率和可持續(xù)性。實驗表明，SSEG設(shè)備易于擴展集成，在戶外環(huán)境中穩(wěn)定運行，為離網(wǎng)地區(qū)的水能源供應(yīng)提供了可行方案。這項工作為水電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)提供了新范式，推動了可再生能源與水資源管理的協(xié)同發(fā)展。

原文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65280-3

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