大連理工能源與動力學(xué)院科研團隊在水能利用領(lǐng)域取得重要進展

　　近日，大連理工能源與動力學(xué)院極端條件熱物理團隊的唐大偉教授、李林副教授在水能利用領(lǐng)域取得重要進展，成果一周內(nèi)連續(xù)發(fā)表在國際頂級期刊《先進材料》(Advanced Materials，影響因子：32.086)，其中一篇入選期刊封面，大工均為唯一完成單位。

　　2月16日，在線發(fā)表了題為“Ion-transfer engineering via Janus hydrogels enables ultra-high performance and salt-resistant solar desalination”的論文，首次提出了離子選擇性傳遞致內(nèi)建電場驅(qū)動的排鹽方法，突破了太陽能界面蒸發(fā)海水淡化的性能瓶頸。一周之內(nèi)，2月22日，又在線發(fā)表了題為“High-performance, highly stretchable, flexible moist-electric generators via molecular engineering of hydrogels”的論文，入選當(dāng)期封面，提出了水凝膠分子工程策略，開發(fā)了兼具高電流密度與高度可拉伸的濕氣發(fā)電器，推動了濕氣發(fā)電技術(shù)向防護性可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用?！禔dvanced Materials》是自然指數(shù)期刊，是國際最具影響力的頂級期刊之一，是Wiley旗下Advanced系列(AEM、AFM、AS等)的旗艦主刊。

　　太陽能界面蒸發(fā)是一種新興的海水淡化技術(shù)，其將蒸發(fā)器漂浮于海面上進行界面光熱蒸發(fā)，具有綠色、零能耗、低成本和結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)勢，有望解決全球性淡水短缺問題。但光熱表面水汽化會造成鹽分積累，嚴(yán)重阻礙其長期運行的穩(wěn)定性。將光熱層疏水化和強化對流傳質(zhì)是當(dāng)前抗積鹽的主要方法。前者避免海水到達(dá)光熱層來防止積鹽，但其同時增大了光熱層與海水之間的熱阻，降低蒸發(fā)速率。后者加快水對流從蒸發(fā)表面帶走鹽分，但同時也帶走了熱量，制約蒸發(fā)速率。因此，傳統(tǒng)方法無法解決鹽離子運移和高效熱利用之間的矛盾，積鹽問題仍是界面蒸發(fā)所面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。

　　電鰻體內(nèi)數(shù)以千計的肌肉細(xì)胞形成層疊排列的離子傳輸通道，受外界刺激后迅速響應(yīng)并形成精準(zhǔn)高效的Na+和K+可識別離子通路。該團隊借鑒電鰻肌肉異質(zhì)細(xì)胞間內(nèi)建電場的原理，提出了通過操控陰陽離子反向傳遞，從而形成內(nèi)部電場來驅(qū)動離子運移的排鹽模式。通過模仿電鰻細(xì)胞結(jié)構(gòu)，設(shè)計并構(gòu)建了由Janus離子選擇性水凝膠和受限水路組成的層疊結(jié)構(gòu)，在蒸發(fā)器內(nèi)巧妙構(gòu)造了可識別性離子通道，實現(xiàn)了Na+和Cl-反向傳遞，從而形成內(nèi)建電場。電場力又會加速鹽離子運移，顯著提高移鹽能力。與傳統(tǒng)方法不同，該方法擺脫了移鹽對對流的依賴，避免了因強化對流而造成的熱損失，獲得了高達(dá)6.8 kg m-2h-1的創(chuàng)紀(jì)錄的蒸發(fā)速率，是大多數(shù)抗積鹽蒸發(fā)器的2倍以上，突破了界面蒸發(fā)領(lǐng)域的性能瓶頸。該工作開辟了一條全新的抗積鹽途徑，為設(shè)計下一代高效、長期穩(wěn)定的太陽能界面蒸發(fā)器提供了全新思路。

　　研究成果原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202300189

　　濕氣發(fā)電是一種新興的能源轉(zhuǎn)化技術(shù)，能夠?qū)⒋髿馑种刑N藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。近幾年，該技術(shù)取得了顯著進展，但仍面臨以下挑戰(zhàn)：首先，雖然開路電壓已從2016年的0.2 V提高至1.2 V，但其他電力輸出性能仍然較低，電流密度普遍低于50 μA cm-2。其次，大多數(shù)濕電材料是內(nèi)部具有大量納米孔道的固體材料，其固有的剛性骨架造成柔韌性較差。這些瓶頸問題導(dǎo)致該技術(shù)尚未走上實際應(yīng)用。

　　為解決上述問題，該團隊聚焦于水凝膠聚合物材料，其不僅擁有良好的柔韌性，而且內(nèi)部具有大量的微納結(jié)構(gòu)和官能團，可吸附并儲存大量水分。然而，這種柔性材料的離子傳導(dǎo)率較差，難以直接用于濕電轉(zhuǎn)化。為此，該團隊提出了一種水凝膠分子工程策略，通過在其單個聚合鏈分子結(jié)構(gòu)上進行微觀設(shè)計，顯著提高了水凝膠的離子傳導(dǎo)特性和可拉伸性。該分子工程策略是將磺酸基團和鋰離子嵌入到聚合鏈分子結(jié)構(gòu)中。其中，磺酸基團賦予聚合鏈更穩(wěn)健的分子結(jié)構(gòu)及電離特性，而鋰離子能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生霍夫邁斯特效應(yīng)，拓寬聚合鏈之間的間距并構(gòu)建出大量的離子傳輸通道?；诜肿庸こ趟z構(gòu)建的濕氣發(fā)電器獲得了高達(dá)480 μA cm-2的短路電流密度，是大多數(shù)已報道的濕氣發(fā)電器的十倍以上。同時，其可承受500%以上的拉伸形變而不被破壞，是目前已報道的濕電轉(zhuǎn)化材料的最高水平。該濕氣發(fā)電器能夠?qū)⑷梭w呼吸過程中產(chǎn)生的濕氣轉(zhuǎn)化為電能，為電子設(shè)備提供動力。該工作推動了濕氣發(fā)電技術(shù)向可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用。

　　研究成果原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202300398

　　以上研究大工均為唯一完成單位。第一作者分別為大工能源與動力學(xué)院博士生賀楠和張昊天。通訊作者為李林副教授。研究得到國家自然科學(xué)基金面上項目(No. 52076028)的支持。

　　大工極端條件熱物理團隊由唐大偉教授于2017年創(chuàng)建并領(lǐng)導(dǎo)，圍繞我國能源動力裝備、新型功能材料、航空航天、新一代電子芯片等領(lǐng)域重大需求，聚焦于太陽能、環(huán)境低品位能源等領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)問題。通過開展其中的熱能傳遞、儲存及轉(zhuǎn)化相關(guān)基礎(chǔ)研究及關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，從而推動相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域取得突破性進展。團隊成立以來，承擔(dān)了JKW重點項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、重點國際合作項目、面上項目、國家重點研發(fā)計劃課題等國家級項目，承擔(dān)了大連市創(chuàng)新團隊項目，并與中航工業(yè)、中國航發(fā)、中國航天科技、中石化等建立了良好的合作關(guān)系，并合作申報“兩機專項”、基礎(chǔ)加強等項目。團隊近幾年在Energy& Environmental Science, Advanced Materials, Science Advances,Nature Communication, Matter, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Energy等國際頂級期刊上發(fā)表多篇高水平論文。

　　內(nèi)容來源：大連理工大學(xué)新聞網(wǎng)