文獻快訊：Nat. Commun. 離子工程水凝膠門控策略，突破海水蒸發發電瓶頸

【成果掠影 & 研究背景】

海水蒸發誘導發電（SEG）技術是一種新興的水能耦合技術，有望同時產生綠色電力和淡水，以緩解全球能源和淡水危機。然而，傳統SEG設備在海水蒸發過程中存在離子非選擇性傳輸問題，導致嚴重的Debye屏蔽效應，輸出電流通常低于10微安，限制了其實際應用。太陽能驅動的界面蒸發為SEG提供了可持續動力，但缺乏有效的離子調控策略，導致能量效率低下。

本研究開發了一種基于離子工程水凝膠的太陽能SEG（SSEG）系統，通過分子級離子控制實現了突破性性能。該系統采用聚乙烯醇（PVA）、Cu(TFSI)?和GdmCl制備的水凝膠，利用金屬-聚合物配位和離子優先結合的協同效應，構建化學門控機制，選擇性促進陰離子傳輸并抑制陽離子誘導的Debye屏蔽。實驗結果顯示，SSEG在AM1.5G光照下峰值電流達1.2毫安，比現有SEG設備提升1-2個數量級；同時淡水產量超過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，實現了水電聯產與資源循環利用。

【創新點 & 圖文摘要】

創新點：

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

• 結合金屬-聚合物配位（如Cu2?與PVA羥基結合）和離子優先結合（Gdm?與TFSI?強關聯），協同增強陰離子擴散系數。

• 設計分層結構SSEG設備，將光熱蒸發層（CNT）與離子調控層解耦，同步優化蒸發效率（2.64千克/平方米/小時）和發電性能。

• 實現毫安級電流輸出（1.2毫安），并利用殘余海水通過反電滲析產生藍色能源，提升系統可持續性。

• 水凝膠具備抗鹽結晶能力，連續運行100小時無性能衰減，室外集成系統穩定工作30天。

• 通過全天氣運行機制，白天利用太陽能發電產水，夜間回收滲透能，實現水電聯產全天候化。

Fig. 1: SSEG的設計和工作原理

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

Fig. 3: 離子工程水凝膠的表征和性能

Fig. 4: SSEG發電性能影響因素分析

Fig. 5: SSEG的可擴展集成和戶外應用

【總結 & 原文鏈接】

本研究成功開發了一種離子工程水凝膠驅動的太陽能水電聯產系統，通過分子級離子調控解決了海水蒸發發電中的Debye屏蔽難題。該系統不僅實現了毫安級電流輸出和高效淡水生產，還創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性。實驗表明，SSEG設備易于擴展集成，在戶外環境中穩定運行，為離網地區的水能源供應提供了可行方案。這項工作為水電聯產技術提供了新范式，推動了可再生能源與水資源管理的協同發展。

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

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