【创新在大工】能源与动力学院科研团队在水能利用领域取得重要进展

近日，我校能源与动力学院极端条件热物理团队的唐大伟教授、李林副教授在水能利用领域取得重要进展，成果一周内连续发表在国际顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials，影响因子：32.086），其中一篇入选期刊封面，我校均为唯一完成单位。

2月16日，在线发表了题为“Ion-transfer engineering via Janus hydrogels enables ultra-high performance and salt-resistant solar desalination”的论文，首次提出了离子选择性传递致内建电场驱动的排盐方法，突破了太阳能界面蒸发海水淡化的性能瓶颈。一周之内，2月22日，又在线发表了题为“High-performance, highly stretchable, flexible moist-electric generators via molecular engineering of hydrogels”的论文，入选当期封面，提出了水凝胶分子工程策略，开发了兼具高电流密度与高度可拉伸的湿气发电器，推动了湿气发电技术向防护性可穿戴电子设备的应用。《Advanced Materials》是自然指数期刊，是国际最具影响力的顶级期刊之一，是Wiley旗下Advanced系列（AEM、AFM、AS等）的旗舰主刊。

太阳能界面蒸发是一种新兴的海水淡化技术，其将蒸发器漂浮于海面上进行界面光热蒸发，具有绿色、零能耗、低成本和结构简单等诸多优势，有望解决全球性淡水短缺问题。但光热表面水汽化会造成盐分积累，严重阻碍其长期运行的稳定性。将光热层疏水化和强化对流传质是当前抗积盐的主要方法。前者避免海水到达光热层来防止积盐，但其同时增大了光热层与海水之间的热阻，降低蒸发速率。后者加快水对流从蒸发表面带走盐分，但同时也带走了热量，制约蒸发速率。因此，传统方法无法解决盐离子运移和高效热利用之间的矛盾，积盐问题仍是界面蒸发所面临的最严峻挑战之一。

电鳗体内数以千计的肌肉细胞形成层叠排列的离子传输通道，受外界刺激后迅速响应并形成精准高效的Na⁺和K⁺可识别离子通路。该团队借鉴电鳗肌肉异质细胞间内建电场的原理，提出了通过操控阴阳离子反向传递，从而形成内部电场来驱动离子运移的排盐模式。通过模仿电鳗细胞结构，设计并构建了由Janus离子选择性水凝胶和受限水路组成的层叠结构，在蒸发器内巧妙构造了可识别性离子通道，实现了Na⁺和Cl^-反向传递，从而形成内建电场。电场力又会加速盐离子运移，显著提高移盐能力。与传统方法不同，该方法摆脱了移盐对对流的依赖，避免了因强化对流而造成的热损失，获得了高达6.8 kg m^-2h^-1的创纪录的蒸发速率，是大多数抗积盐蒸发器的2倍以上，突破了界面蒸发领域的性能瓶颈。该工作开辟了一条全新的抗积盐途径，为设计下一代高效、长期稳定的太阳能界面蒸发器提供了全新思路。

研究成果原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202300189

湿气发电是一种新兴的能源转化技术，能够将大气水分中蕴藏的化学能转化为电能。近几年，该技术取得了显著进展，但仍面临以下挑战：首先，虽然开路电压已从2016年的0.2 V提高至1.2 V，但其他电力输出性能仍然较低，电流密度普遍低于50 μA cm^-2。其次，大多数湿电材料是内部具有大量纳米孔道的固体材料，其固有的刚性骨架造成柔韧性较差。这些瓶颈问题导致该技术尚未走上实际应用。

为解决上述问题，该团队聚焦于水凝胶聚合物材料，其不仅拥有良好的柔韧性，而且内部具有大量的微纳结构和官能团，可吸附并储存大量水分。然而，这种柔性材料的离子传导率较差，难以直接用于湿电转化。为此，该团队提出了一种水凝胶分子工程策略，通过在其单个聚合链分子结构上进行微观设计，显著提高了水凝胶的离子传导特性和可拉伸性。该分子工程策略是将磺酸基团和锂离子嵌入到聚合链分子结构中。其中，磺酸基团赋予聚合链更稳健的分子结构及电离特性，而锂离子能够诱导产生霍夫迈斯特效应，拓宽聚合链之间的间距并构建出大量的离子传输通道。基于分子工程水凝胶构建的湿气发电器获得了高达480 μA cm^-2的短路电流密度，是大多数已报道的湿气发电器的十倍以上。同时，其可承受500%以上的拉伸形变而不被破坏，是目前已报道的湿电转化材料的最高水平。该湿气发电器能够将人体呼吸过程中产生的湿气转化为电能，为电子设备提供动力。该工作推动了湿气发电技术向可穿戴电子设备的应用。

研究成果原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202300398

以上研究我校均为唯一完成单位。第一作者分别为我校能源与动力学院博士生贺楠和张昊天。通讯作者为李林副教授。研究得到国家自然科学基金面上项目（No. 52076028）的支持。

我校极端条件热物理团队由唐大伟教授于2017年创建并领导，围绕我国能源动力装备、新型功能材料、航空航天、新一代电子芯片等领域重大需求，聚焦于太阳能、环境低品位能源等领域的前沿基础科学技术问题。通过开展其中的热能传递、储存及转化相关基础研究及关键技术开发，从而推动相关技术领域取得突破性进展。团队成立以来，承担了JKW重点项目、国家自然科学基金重点项目、重点国际合作项目、面上项目、国家重点研发计划课题等国家级项目，承担了大连市创新团队项目，并与中航工业、中国航发、中国航天科技、中石化等建立了良好的合作关系，并合作申报“两机专项”、基础加强等项目。团队近几年在Energy& Environmental Science, Advanced Materials, Science Advances,Nature Communication, Matter, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Energy等国际顶级期刊上发表多篇高水平论文。