2024.1封面文章|大连理工唐大伟教授团队：水凝胶离子化工程实现高效太阳能阻盐蒸发和夜间电能收集

太阳能蒸发因低碳排放和高能量利用在海水淡化领域具有巨大潜力。水凝胶被认为是最有前途的蒸发器。然而，高蒸发速率和对盐离子的耐受性难以兼得一直制约着水凝胶蒸发器的广泛应用。本研究中，我们通过离子化工程对水凝胶聚合链进行电负性修饰，以阻碍盐离子渗透并活化水分子，从根本上解决了水凝胶受盐侵蚀的瓶颈，并显著提高了蒸发速率，蒸发器在20wt%盐水中实现了2.9 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，效率高达95.6%，超过了大多数文献报道。同时，基于电负性引起的阳离子选择性，本文提出了一种全天候系统，即白天太阳能蒸发，晚上利用蒸发后的废盐水进行盐差产电，实现零液排放，并为全天候淡水和电力资源回收提供新的可能。

1. 设计了一种带有电负性聚合链的离子化工程水凝胶阻碍盐离子渗透。

2. 水凝胶蒸发器在20wt%的盐水中持续15天阻盐蒸发，蒸发效率达95.6%。

3. 提出了一种全天候零液排放的高浓盐水处理方法。

内容简介

水凝胶是最具潜力的太阳能蒸发材料，然而，高蒸发速率和对盐离子的耐受性难以兼得一直制约着水凝胶蒸发器的广泛应用。大连理工大学极端条件热物理团队李林、唐大伟等通过离子化工程对水凝胶聚合链进行电负性修饰，以阻止盐离子渗透并活化水分子，从根本上克服水凝胶受盐侵蚀的问题并加速蒸发。该蒸发器在20wt%的盐水中达到了2.9 kg m⁻²h⁻¹的突破性蒸发速率，效率为95.6%，超过了大多数文献报道。并且它能够从过饱和盐溶液中提取清洁水，能够抵御不同程度的高强度变形，并在20wt%盐水中持续稳定工作15天。同时基于电负性产生的阳离子选择性，我们提出了一套全天候系统，该系统在白天进行太阳能蒸发，晚上利用蒸发后的废盐水进行盐差发电。

图文导读

I 白天太阳能蒸发，夜间盐差发电的水凝胶离子化工程示意图

如图1a所示，离子化工程是聚丙烯酰胺（PAAM）被具有磺酸基团（-SO₃⁻）的2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸钠（NaAMPS）互穿，形成最终的离子化电负性水凝胶（IEH）,十二烷基苯磺酸钠改性的炭黑（SDBS-C）用作太阳能吸收剂。白天IEH蒸发器漂浮在盐水-空气界面处，将太阳能转化为热量产生蒸汽（图1b)。在此过程中，电负性聚合链通过氢键和静电相互作用阻碍盐离子并活化水分子。在夜间，IEH利用白天产生废盐水进行盐差发电（图1c)。由于IEH具有阳离子选择性，阳离子从高浓度溶液扩散到低浓度溶液，而过剩的阴离子通过电极的氧化还原反应得到平衡，从而产生电力。

图1. 白天太阳能蒸发和夜间盐差发电的水凝胶离子化工程示意图。a用NaAMPS对含有水的PAAM水凝胶网络进行电负性修饰；b IEH蒸发器漂浮在盐水-空气界面处利用太阳能蒸发生产淡水；c 夜间利用蒸发后的废盐水进行盐差发电。

II  蒸发器化学成分及相关表征

IEH中，NaAMPS和SDBS-C生成磺酸基团和钠离子，其中NaAMPS的磺酸基团赋予聚合物网络电负性。图2a展现了IEH的宏观照片，其横截面SEM证明水凝胶层和SDBS碳层紧密接触。EDS图像表明NaAMPS的代表性元素在IEH内均匀分布，表明NaAMPS均匀渗透进入PAAM水凝胶，形成最终的IEH。图2b-c表明NaAMPS和SDBS共同强化了磺酸根的作用并使IEH表现出更高的电负性。图2d中的拉曼光谱进一步证实了磺酸根的存在。

图2. IEH的化学成分。a IEH的照片，脱水IEH的横截面SEM图像，红色为钠，绿色为硫的相应EDS图谱；b-c 有和没有SDBS-C的IEH的FTIR光谱和Zeta电位；d IEH的拉曼光谱。

III  IEH的水活化、阻盐和蒸发特性

由于离子化工程导致的电负性，IEH中的水分布发生了明显变化。为了系统地评估这一变化，我们制备了不同NaAMPS含量的IEH。根据水和聚合链相互作用的强度，IEH中的水可分为自由水（FW）、中间水（IW）和结合水（BW）。如图3(a-b)所示，随着NaAMPS含量的增加，BW增加，并且IEH4呈现出最高的溶胀速率，完全溶胀所需时间最长，证实电负性显著增强了水的吸收和运输。在图3(c)中，IEH2和IEH4的蒸发能量需求较低，表明电负性能够进一步降低蒸发的能量需求，其中IEH2的能量需求最低，可能与其具有高IW/FW相关。因此，IEH2既具备良好的水输运能力又具有较大的蒸发潜力。图3(d-e)证明IEH2可有效阻碍20wt%的高浓盐水渗透，通过IEH2的氯离子浓度几乎是IEH0的一半。此外，图3(f)表示聚集的盐结晶侵入IEH0导致显著变形和塌陷，而IEH2仅含有少量盐离子，其形态保持完整。为此，在一个太阳照射下，IEH2在20wt%盐水中的蒸发速率最高，为2.9 kg·m⁻²·h⁻¹（图3g-h），效率为95.6%，高于大多数已报道文献（图3i）。以上结果表明IEH2具有出色的阻盐和蒸发能力。

图3. a 不同IEH中的BW含量和IW/FW比率；b 不同IEH的溶胀速率和半溶胀时间；c IEH蒸发的能量需求,纯净水的蒸发焓为2450 J·g⁻¹；d IEH的耐盐渗透示意图和数据；e 8小时后20wt%盐水中渗透穿过IEH的氯离子浓度；f IEH在20wt%盐水中浸泡24小时后的SEM图像和EDS图；g-h 在一个太阳照射下20wt%盐水中，IEH最快的质量变化和平均蒸发速率；i IEH2和所报道的文献在20wt%和25wt%盐水中蒸发速率的比较。

IV 在一个太阳光强下20wt%盐水的淡化性能

为了进一步测试IEH2的高浓盐水淡化能力，我们在一个太阳光强的照射下在20wt%盐水中进行了蒸发淡化实验。实验中，IEH由自悬浮装置支撑，位于盐水-空气界面（图4a）。图4b红外图像证实了热量限域和快速的温度响应。首先，我们对IEH2在蒸发过程中的抗变形性能进行了评估。如图4c所示，离子化后的IEH在机械性能方面显著增强。图4d直观展示了IEH2的拉伸性能提高至近9倍，且能够抵抗多种形变。此外，在20wt%盐水中，IEH2经过弯曲、折叠、扭转和拉伸状态下的蒸发测试（图4e），蒸发速率稳定在2.5 kg·m⁻²·h⁻¹。其次，我们进行了IEH2淡化性能的耐久性测试（图4f）。在半个月的蒸发实验中，IEH2的蒸发速率基本保持在2.7 kg·m⁻²·h⁻¹。元素半定量分析（图4g）显示，IEH2内仅有少量氯离子渗透，证明其具有长期耐久性。最后，我们在NaCl和CuSO₄溶液中验证了IEH2对过饱和溶液的淡化能力。即使溶液浓度增加，IEH2也能够成功处理溶液直到大部分水被蒸发（图4h-i）。经过四天的NaCl脱盐过程后，蒸发器中仅检测到3.9wt%的Cl⁻，远低于影响蒸发器持续工作的阈值。

图4. 在一个太阳光强下20wt%盐水的淡化性能。a 漂浮在盐水表面上IEH2示意图；b 稳态下蒸发系统侧面温度分布和蒸发表面温度响应的红外图像；c 离子化前后的压缩和拉伸特性，分别以蓝色和红色表示；d IEH2的拉伸性和抗变形照片；e 不同变形状态下IEH2的蒸发速率；f 在20wt%盐水中持续15天的蒸发速率；g 元素半定量分析的两次测量，显示了15天实验前后钠、氯和硫离子的含量；h-i 初始20wt% 的NaCl和CuSO₄溶液的蒸发速率随时间的变化，直到大部分水和溶质完全分离。

V 夜间盐差发电性能

鉴于白天蒸发后会留下大量废盐水，我们设计了夜间盐度梯度回收系统，以平衡白天剩余盐水的盐度，并实现盐差产电，以便在夜间进行能量利用（图5a-b）。其工作原理如下：在盐差的作用下，阳离子优先通过IEH2从高盐度废水迁移到低盐度一侧，同时电极发生氧化还原反应，完成发电。夜间运行16小时后，废盐水的盐度从25.0wt%降至19.7wt%，达到了白天高效再蒸发的标准（图5c）。IEH2的阳离子选择性是决定其盐差发电能力的关键，我们通过多角度的证明进行了验证。图5d表示产电过程的电子流动方向与从高盐度到低盐度的阳离子流动方向一致。在这个过程中，高盐度侧的Ag由于电子损失而变成灰色，而低盐度侧的Ag⁺由于获得电子而逐渐变白（图5e）。图5f验证了IEH2对阳离子的选择渗透性，与图3e证明的IEH2的阴离子阻碍特性相互佐证。为了证明其广泛的应用潜力，我们选择了KCl、NaCl和CuSO₄进行实验，相应的电输出如图5g-i。与先前报道的同时产生蒸汽和电力的蒸发器相比，这种方法实现了发电和蒸发之间的互利关系。与大多数在夜间无法运行的蒸发器相比，该系统在夜间能量收集和资源利用方面具有优势。

图5. 夜间盐差发电性能。a-b 蒸发后废盐水的回收和盐差发电装置示意图；c 在夜间运行16 h后，废盐水的盐度降至20wt%以下；d 电压和阳离子流动方向的测试照片；e 电极反应方程式和电极照片；f 8小时渗透实验后的钠离子浓度。g-i 在KCl、NaCl和CuSO₄工况下，IEH2盐差产电的电流和电压曲线。

作者简介

李林
本文通讯作者

大连理工大学 副教授

▍主要研究领域

主要从事太阳能海水淡化、湿气发电、多孔介质传热传质等研究。

▍主要研究成果

博士生导师，副教授。主要从事多孔介质传热传质、太阳能界面蒸发等的研究。近年以第一/通讯作者在Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Nano-Micro Letters, Advanced Functional Materials, Small, Cell Reports Physical Science, EcoMat, ACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表SCI论文40余篇，8篇入选期刊封面。任DeCarbon青年编委。主持国家自然科学基金面上项目2项、青年项目1项、中国博士后基金特别资助项目1项等。

▍Email：lilinnd@dlut.edu.cn

唐大伟
本文作者、团队负责人

大连理工大学 教授

▍主要研究领域

主要从事极端条件热物理、高强度传热、聚光太阳能利用等方面的研究工作。

▍主要研究成果

2004年入选中国科学院人才计划，回国以来任中科院工程热物理所研究员、博士生导师、传热传质研究中心主任。2016年入职大连理工大学能源与动力学院。曾任能源与动力学院院长。现任海洋能源利用与节能教育部重点实验室副主任，能源研究院院长。学术兼职包括中国工程热物理学会理事；科技部重大科学研究计划项目专家组成员；亚洲热物性会（ATPC）国际委员会常务理事；第16届国际传热大会秘书长等。主持了国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目、重点项目、重点国际合作项目、NSFC-JST重大国际合作项目、面上项目；科技部国家重大科学仪器设备开发专项项目、国家重大科学研究计划项目课题、973项目课题、863项目、国家重点研发计划子课题；XX探索重大项目、A计划项目、XX-809项目、XX-802项目、XX重大专项课题等。
▍Email：dwtang@dlut.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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