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近日，南京大学唐少春教授与清华大学曲良体教授合作，研发出一种基于离子引擎水凝胶材料的新型太阳能海水淡化同步发电高效水-电联产系统（SSEG）。该系统通过分子级离子调控，实现了毫安级峰值输出电流(1.2 mA)，电流密度高达3 A m-2，同时淡水产水率超过2.0 kg m-2 h-1，同时从浓盐副产物中资源化利用盐差能。该创新性研究突破了传统界面蒸发针对海水Debye屏蔽效应的双电层压缩限制，为海岛、海上平台及偏远离域地区的淡水和持续用电（水-电联产）技术与装备开辟了一条新路径。

【背景介绍】

面对全球能源转型与水资源短缺双重危机，亟待可持续解决方案。海洋覆盖3.6亿平方公里，是一个巨大的资源宝库。近年来，海水蒸发诱导发电技术因其同时产出绿色电能和淡水而备受关注。然而，传统传统界面蒸发器件只适用于淡水，海水中非选择性离子传输形成密集的反离子云，从而引发Debye屏蔽效应，导致输出电流很低（通过<10 µA），远小于实际应用需求。

本研究提出，基于金属-聚合物配位与离子优先缔合的化学门控机制，通过引入一种新型的离子引擎水凝胶材料，实现阴离子高度选择性的同时有效抑制阳离子富集诱导产生的Debye屏蔽效应。在太阳自然光界面热驱动下，该系统从海水中不仅能高效收集淡水，而且生成毫安级电流，标志着该领域技术的重大进步。【图文速览】

1. 水-电联产系统（SSEG）的设计与工作原理

图1. A. SSEG结构示意图；B. SSEG的工作机理图。

图1A为SSEG水-电联产系统分层结构的示意图，自上而下依次为光热层、顶部电极、离子引擎水凝胶、底部电极、分离层及毛细层。光热层利用太阳能驱动海水蒸发产生蒸汽；离子引擎水凝胶作为核心化学门控元件，在蒸发过程中优先促进阴离子扩散并抑制阳离子迁移。被排斥的阳离子富集于残留浓盐水中，通过反向电渗析转化为蓝色能源（图1B）。这一设计解决了阴阳离子的有效分离及能量多级利用难题，从而实现了以海水为基础原料的最大化水-电联产。

2. 高性能离子引擎水凝胶材料的设计原理

图2. A. PVA/Cu(TFSI)2水凝胶（体系I）分子动力学（MD）模拟；B. PVA/Cu(TFSI) 2-GdmCl（体系II）的MD模拟；C. Cu²⁺-OPVA的RDF与CN计算；D. Cu²⁺-TFSI⁻与Gdm⁺-TFSI⁻的结合能及静电势分布；E. 两种体系中各离子扩散系数对比。

采用分子动力学（MD）模拟揭示了离子引擎水凝胶的设计原理。水凝胶材料由聚乙烯醇（PVA）, Cu(TFSI)2和GdmCl通过物理/化学交联制备。MD模拟结果表明，PVA/Cu(TFSI) 2中（图2A）Cu2+与PVA的羟基形成稳定配位结构，引入GdmCl后Gdm+ 优先与TFSI- 结合，解离更多的Cu2+-TFSI-离子对（图2B）。径向分布函数（RDF）与配位数（CN）计算证实，阴离子自由度增强，而阳离子迁移受限（图2C）。结合能及静电势分布（图2D）进一步验证了Gdm⁺-TFSI⁻的优先结合。离子扩散系数比较结果（图2E），突显了水凝胶的“离子引擎”特性（图2E），确保了高盐度环境中离子的高效选择性传输。

3. 离子引擎水凝胶材料的结构及离子选择性评价

图3. A. 离子引擎水凝胶照片及SEM图；B. O 1s高分辨XPS谱；C. ¹H-NMR谱显示Gdm⁺化学位移；D. 不同水凝胶的ζ电位；E. EIS Nyquist图；F. 不同掺杂样品的离子电导率；G. 蒸发过程中残留溶液盐度变化示意图；H. Na⁺/Cl⁻浓度变化情况；I. Hittorf法测得的Na⁺/Cl⁻转移数。

图3A展示了水凝胶及其SEM图，具有多孔网络结构，且C、N、O、F、Cu、S、Cl等元素均匀分布。高分辨XPS谱O 1s显示，Cu²⁺掺杂诱导结合能红移，证实了金属-聚合物配位（图3B），¹H-NMR证实了Gdm⁺-TFSI⁻优先结合（图3C）。水凝胶的ζ电位达到41.6 mV（图3D），EIS电荷转移电阻仅92.6 Ω（图3E），离子电导率1.472 mS cm-1（图3F）。持续蒸发4 h后，IC分析显示Na⁺浓度从10.2 g L-1增至17.6 g L-1，而Cl- 离子变化趋势则相对稳定（图3G-H）。Hittorf法测得t_Cl⁻ ≈ 0.83（图3I），证实了水凝胶材料具有优异的阴离子选择性。

4. 高性能SSEG可规模化集成验证及其应用

图4. A. 120个SSEG器件“森林式”集成系统；B.串/并联SSEG的输出性能；C. 集成系统充电1 F电容曲线；D. SSEG集成系统中离子浓度对比；E. 集成系统在全天太阳光照下工作示意图；F. SSEG集成系统实时监测的淡水收集速率和发电输出功率；G.反电渗析装置收集渗透能随时间的变化。

图4A展示120个SSEG器件通过“森林式”串并联集成的水电联产系统，其输出Voc=75.8 V或Jsc=102.4 mA（图4B）。8个器件（串联）×15个器件（并联）的集成系统将1 F超级电容器充满仅需400 s，而且能直接为手机等电子产品供电（图4C）。水电联产系统收集的淡水中离子浓度近零，符合饮用水标准（图4D）。在模拟全天候测试中，该系统在白天光强（Copt=896 W m-2）可实现高达2.02 kg m-2 h-1的淡水收集速率，输出功率达24 mW（图4F），在夜间可通过反向电渗析技术收集渗透能（图4G）。因此，该系统展现出了全天候水-电共生优势。

【总结展望】

综上所述，该研究工作通过离子引擎水凝胶的化学门控，突破了传统界面蒸发针对海水Debye屏蔽效应的双电层压缩限制，实现了海水界面蒸发器件电流从微安级向毫安级的大幅跨越，并创新性利用浓盐副产物回收蓝色能源。120个SSEG器件通过“森林式”串并联集成的水电联产系统，总能效高达93.3%，未来将应用于海岛、海上平台及偏远离域地区的淡水和持续发电技术与装备。该工作不仅深化了水动力学与界面电化学的理解，还为可持续发展实现“双碳”目标开辟了一条新路径。

相关研究成果以题为“Ion-engine hydrogel based solar desalination for water-electricity cogeneration with milliampere level current”发表在国际知名期刊Nature Communications上（Nat. Commun. 2025, https://doi.org/10.1038/s41467-025-65280-3）。南京大学现代工程与应用科学学院博士研究生陈玉和叶成伟为论文共同第一作者，清华大学化学系曲良体教授和南京大学现代工程与应用科学学院唐少春教授为该论文的通讯作者。

固体微结构物理国家重点实验室、南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室为该项工作的顺利开展提供了重要支持。该项工作得到了国家重点研发计划项目，国家自然科学基金项目，江苏省重点研发计划项目，江苏省碳峰碳中和科技创新专项基金项目资助。

【论文信息】

Yu Chen, Chengwei Ye, Jiajun He, Liangti Qu*, Shaochun Tang*, Ion-engine hydrogel based solar desalination for water-electricity cogeneration with milliampere level current. Nature Communications, 2025, doi.org/10.1038/s41467-025-65280-3.

原文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65280-3