文献前沿| Nat. Communications：离子引擎水凝胶实现淡水及毫安级电流联产

海水蒸发发电（SEG）在缓解全球能源和淡水需求方面展现出巨大潜力。然而，常规SEG在海水中存在非选择性离子传输，导致严重的德拜屏蔽效应和微安级的低电流输出。为了克服这一瓶颈，本文设计了一种基于离子引擎水凝胶的太阳能海水蒸发发电系统（SSEG）。通过金属-聚合物配位和离子选择性缔合的协同作用抑制阳离子诱导的德拜屏蔽，该系统输出的峰值电流高达1.2 mA，比之前报道的器件高出1到2个数量级。在户外条件下SSEG能够生产高达24毫瓦的电力和超过2.0kg·m-2·h-1的淡水，通过反向电渗析能够回收高达16.7Wm-2的能量，展现出良好的水-电联产及可拓展性能，具有广泛的应用前景。相关工作以Ion-engine hydrogel based solar desalination for water-electricity cogeneration with milliampere level current为题发表在Nature Communications期刊。

本文从打破德拜屏蔽、实现离子选择性传输的机制出发，以聚乙烯醇(PVA)、三氟甲基磺酰亚胺铜(Cu(TFSI)2)和氯化胍(GdmCl)为原料制备了基于PVA/Cu(TFSI)₂-GdmCl的离子引擎水凝胶，并设计了具有层级结构的太阳能驱动海水蒸发发电（SSEG）集成系统（图1）。通过分子动力学模拟（MD）证实了金属-配体与离子优先缔合的协同作用（图2）。材料表征显示该水凝胶具有高Cl-离子迁移数（t₋≈0.83）、较低电荷转移电阻（92.6Ω）和强正Zeta电位（+41.6 mV）（图3）。性能测试表明，单器件在1kW/m2的太阳光照下可实现1.2mA的短路电流与0.68V的开路电压，并表现出优异的抗盐结晶稳定性（图4）。最后，集成系统在户外实现了最高2.02 kg·m⁻²·h⁻¹的淡水产出与24 mW的功率输出，并且同步从浓缩盐水中回收16.7 W·m⁻²的蓝色能量（图5），展现了高效、稳定的水-电联产能力。

图1. SSEG的设计和工作原理。(A)分层组装的SSEG装置的原理图。层状结构自上而下包括碳纳米管光热层、上电极、中央离子引擎水凝胶、下电极、泡沫分离器和将海水向上抽吸的底部离子引擎水凝胶层。(B) SSEG工作机制示意图。I)带正电的离子引擎水凝胶起到了化学门的作用，在海水蒸发过程中促进了阴离子的扩散，同时阻碍了阳离子的迁移。II)这种选择性离子传输通过电动效应产生流动电流。III)被丢弃的阳离子积累在剩余的盐水中，这些盐水可以通过反向电渗析产生蓝色能量。

图2. PVA/Cu(TFSI)2-GdmCl水凝胶设计原理：金属配位和离子择优缔合。(A) PVA/Cu(TFSI)2(系统I)的MD快照。(B) PVA/Cu(TFSI)2-GdmCl2(系统Ⅱ)的MD快照。(C) Cu2+-OPVA的径向分布函数和配位数计算。(D) Cu2+-TFIST−和Gdm+-TfSi−的结合能，并给出了相应的结构和静电势分布。(E)从MD模拟计算的扩散系数。

图3离子引擎水凝胶的表征和性能。(A) 5 cm的聚乙烯醇/铜(TFSI)2GdmCl水凝胶和和5μm的碳纳米管层的照片(左)和相应的扫描电子显微镜图像(右)。(B) Cu(TFSI)2、PVA/Cu(TFSI)2和PVA/Cu(TFSI)2Gdm Cl的高分辨O 1S谱表明，随着Cu2+的加入，结合能发生红移。(C)1H核磁共振谱显示了GDM+的化学位移，插图为局部放大的光谱。(D) PVA、PVA/Cu(TFSI)2和PVA/Cu(TFSI)2-Gdm Cl水凝胶的Zeta电位。(E) PVA、PVA/Cu(TFSI)2和PVA/Cu(TFSI)2-Gdm Cl水凝胶的电化学阻抗Nyquist图，插图显示了PVA/Cu(TFSI)2和PVA/Cu(TFSI)2-Gdm Cl水凝胶的放大图。(F) PVA/xCu(TFSI)2(下)和PVA/60wt%Cu(TFSI)2-y Gdm Cl(上)水凝胶的离子电导率。(G)使用3.5wt%NaCl和1kW·m−2太阳光照下的离子发动机水凝胶蒸发装置示意图(左上角)，照片(右上角)，蒸发量和相应的盐度随时间的变化(下图)。(H)离子浓度显示残留溶液中Na+和Cl-浓度的变化。(H)在电解槽中，用Hittorf法测定了Na+和Cl-−的迁移数，证实了离子引擎机理的高阴离子选择性，插图显示了Hittorf法测试的原理图。所有的误差条代表三次测量的标准偏差。

图4 SSEG发电性能影响因素分析。(A)单个SSEG在AM1.5G照明下的电流-电压曲线，插图显示了器件原理图。阴影区域表示理论功率输出。(B) AM1.5G光照下，24小时内装置在人工海水中产生的开路电压Voc和短路电流Jsc。(C)比较不同水凝胶成分的发电性能。(D)具有分层结构的SSEG和非分层器件之间的功率输出比较，插图显示了相应的原理图。(E) SSEG的蒸发率、功率输出、开路电压Voc、短路电流Jsc和渗透能量(功率密度)与现有水能热电联产装置报告的平均值进行比较。(F)不同日照强度下SSEG的发电性能。(G) SSEG在不同液体中的发电性能。(H)扫描速度为10~100 mV s−1时的电压-电流曲线。(I) SSEG的工作机制。(J)数值模拟了固体电解质中Na+和Cl−离子的浓度分布。

图5 SSEG的可扩展集成和室外应用。(A)带有10厘米比例尺的照片和SSEG阵列的示意图。(B)各种串联(下)和并联(上)配置的SSEG装置的输出电压和电流特性，插图显示了SSEG串并联结构示意图。(C)使用SSEG阵列的1 F商用电容器的充电速度，插图显示了SSEG阵列为手机供电的能力。(D) SSEG系统冷凝过程的三维光学照片(上)以及初始海水和蒸发后收集的净化冷凝液中典型离子浓度的比较(下)。(E)描述了SSEG系统上模拟的全天候太阳照明过程的示意图。(F)在室外昼夜循环期间对四个SSEG阵列(共120个单元)进行稳定性评估，每个周期只补充一次海水。(G)电压输出和单循环剩余浓缩海水的盐度，插图为反向电渗析装置。

小结：本研究开发了一种用于太阳能驱动集成系统的离子引擎水凝胶，能够同时从海水中收集毫安级电流（最高1.2 mA）、渗透能量（16.7W·m⁻²）和淡水（2.02kg·m-2·h-1）。利用金属-聚合物配位和离子优先缔合之间的分子水平协同，促进了阴离子扩散，并有效地抑制了阳离子诱导的德拜筛选。在AM1.5G光照下，SSEG能够产生0.68V的开路电压以及1.2mA的短路电流。通过串并联SSEG，一个8×15单元组成的供电系统能够在仅400 S的时间为一个5V/1F的电容器充电，展现出优越的规模集成特性，为应对未来的淡水和能源挑战提供了创新性的解决方案。

论文信息：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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