文獻前沿| Nat. Communications：離子引擎水凝膠實現淡水及毫安級電流聯產

海水蒸發發電（SEG）在緩解全球能源和淡水需求方面展現出巨大潛力。然而，常規SEG在海水中存在非選擇性離子傳輸，導致嚴重的德拜屏蔽效應和微安級的低電流輸出。為了克服這一瓶頸，本文設計了一種基于離子引擎水凝膠的太陽能海水蒸發發電系統（SSEG）。通過金屬-聚合物配位和離子選擇性締合的協同作用抑制陽離子誘導的德拜屏蔽，該系統輸出的峰值電流高達1.2 mA，比之前報道的器件高出1到2個數量級。在戶外條件下SSEG能夠生產高達24毫瓦的電力和超過2.0kg·m-2·h-1的淡水，通過反向電滲析能夠回收高達16.7Wm-2的能量，展現出良好的水-電聯產及可拓展性能，具有廣泛的應用前景。相關工作以Ion-engine hydrogel based solar desalination for water-electricity cogeneration with milliampere level current為題發表在Nature Communications期刊。

本文從打破德拜屏蔽、實現離子選擇性傳輸的機制出發，以聚乙烯醇(PVA)、三氟甲基磺酰亞胺銅(Cu(TFSI)2)和氯化胍(GdmCl)為原料制備了基于PVA/Cu(TFSI)?-GdmCl的離子引擎水凝膠，并設計了具有層級結構的太陽能驅動海水蒸發發電（SSEG）集成系統（圖1）。通過分子動力學模擬（MD）證實了金屬-配體與離子優先締合的協同作用（圖2）。材料表征顯示該水凝膠具有高Cl-離子遷移數（t?≈0.83）、較低電荷轉移電阻（92.6Ω）和強正Zeta電位（+41.6 mV）（圖3）。性能測試表明，單器件在1kW/m2的太陽光照下可實現1.2mA的短路電流與0.68V的開路電壓，并表現出優異的抗鹽結晶穩定性（圖4）。最后，集成系統在戶外實現了最高2.02 kg·m?2·h?1的淡水產出與24 mW的功率輸出，并且同步從濃縮鹽水中回收16.7 W·m?2的藍色能量（圖5），展現了高效、穩定的水-電聯產能力。

圖1. SSEG的設計和工作原理。(A)分層組裝的SSEG裝置的原理圖。層狀結構自上而下包括碳納米管光熱層、上電極、中央離子引擎水凝膠、下電極、泡沫分離器和將海水向上抽吸的底部離子引擎水凝膠層。(B) SSEG工作機制示意圖。I)帶正電的離子引擎水凝膠起到了化學門的作用，在海水蒸發過程中促進了陰離子的擴散，同時阻礙了陽離子的遷移。II)這種選擇性離子傳輸通過電動效應產生流動電流。III)被丟棄的陽離子積累在剩余的鹽水中，這些鹽水可以通過反向電滲析產生藍色能量。

圖2. PVA/Cu(TFSI)2-GdmCl水凝膠設計原理：金屬配位和離子擇優締合。(A) PVA/Cu(TFSI)2(系統I)的MD快照。(B) PVA/Cu(TFSI)2-GdmCl2(系統Ⅱ)的MD快照。(C) Cu2+-OPVA的徑向分布函數和配位數計算。(D) Cu2+-TFIST?和Gdm+-TfSi?的結合能，并給出了相應的結構和靜電勢分布。(E)從MD模擬計算的擴散系數。

圖3離子引擎水凝膠的表征和性能。(A) 5 cm的聚乙烯醇/銅(TFSI)2GdmCl水凝膠和和5μm的碳納米管層的照片(左)和相應的掃描電子顯微鏡圖像(右)。(B) Cu(TFSI)2、PVA/Cu(TFSI)2和PVA/Cu(TFSI)2Gdm Cl的高分辨O 1S譜表明，隨著Cu2+的加入，結合能發生紅移。(C)1H核磁共振譜顯示了GDM+的化學位移，插圖為局部放大的光譜。(D) PVA、PVA/Cu(TFSI)2和PVA/Cu(TFSI)2-Gdm Cl水凝膠的Zeta電位。(E) PVA、PVA/Cu(TFSI)2和PVA/Cu(TFSI)2-Gdm Cl水凝膠的電化學阻抗Nyquist圖，插圖顯示了PVA/Cu(TFSI)2和PVA/Cu(TFSI)2-Gdm Cl水凝膠的放大圖。(F) PVA/xCu(TFSI)2(下)和PVA/60wt%Cu(TFSI)2-y Gdm Cl(上)水凝膠的離子電導率。(G)使用3.5wt%NaCl和1kW·m?2太陽光照下的離子發動機水凝膠蒸發裝置示意圖(左上角)，照片(右上角)，蒸發量和相應的鹽度隨時間的變化(下圖)。(H)離子濃度顯示殘留溶液中Na+和Cl-濃度的變化。(H)在電解槽中，用Hittorf法測定了Na+和Cl-?的遷移數，證實了離子引擎機理的高陰離子選擇性，插圖顯示了Hittorf法測試的原理圖。所有的誤差條代表三次測量的標準偏差。

圖4 SSEG發電性能影響因素分析。(A)單個SSEG在AM1.5G照明下的電流-電壓曲線，插圖顯示了器件原理圖。陰影區域表示理論功率輸出。(B) AM1.5G光照下，24小時內裝置在人工海水中產生的開路電壓Voc和短路電流Jsc。(C)比較不同水凝膠成分的發電性能。(D)具有分層結構的SSEG和非分層器件之間的功率輸出比較，插圖顯示了相應的原理圖。(E) SSEG的蒸發率、功率輸出、開路電壓Voc、短路電流Jsc和滲透能量(功率密度)與現有水能熱電聯產裝置報告的平均值進行比較。(F)不同日照強度下SSEG的發電性能。(G) SSEG在不同液體中的發電性能。(H)掃描速度為10~100 mV s?1時的電壓-電流曲線。(I) SSEG的工作機制。(J)數值模擬了固體電解質中Na+和Cl?離子的濃度分布。

圖5 SSEG的可擴展集成和室外應用。(A)帶有10厘米比例尺的照片和SSEG陣列的示意圖。(B)各種串聯(下)和并聯(上)配置的SSEG裝置的輸出電壓和電流特性，插圖顯示了SSEG串并聯結構示意圖。(C)使用SSEG陣列的1 F商用電容器的充電速度，插圖顯示了SSEG陣列為手機供電的能力。(D) SSEG系統冷凝過程的三維光學照片(上)以及初始海水和蒸發后收集的凈化冷凝液中典型離子濃度的比較(下)。(E)描述了SSEG系統上模擬的全天候太陽照明過程的示意圖。(F)在室外晝夜循環期間對四個SSEG陣列(共120個單元)進行穩定性評估，每個周期只補充一次海水。(G)電壓輸出和單循環剩余濃縮海水的鹽度，插圖為反向電滲析裝置。

小結：本研究開發了一種用于太陽能驅動集成系統的離子引擎水凝膠，能夠同時從海水中收集毫安級電流（最高1.2 mA）、滲透能量（16.7W·m?2）和淡水（2.02kg·m-2·h-1）。利用金屬-聚合物配位和離子優先締合之間的分子水平協同，促進了陰離子擴散，并有效地抑制了陽離子誘導的德拜篩選。在AM1.5G光照下，SSEG能夠產生0.68V的開路電壓以及1.2mA的短路電流。通過串并聯SSEG，一個8×15單元組成的供電系統能夠在僅400 S的時間為一個5V/1F的電容器充電，展現出優越的規模集成特性，為應對未來的淡水和能源挑戰提供了創新性的解決方案。

論文信息：Chen, Yu, et al. "Ion-engine hydrogel based solar desalination for water-electricity cogeneration with milliampere level current." Nature Communications 16.1 (2025): 10321.
https://doi.org/10.1038/s41467-025-65280-3

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