近日，我院吳德禮教授團(tuán)隊(duì)在可持續(xù)水處理與資源回收領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，成功開發(fā)了一種基于水合配位再生晶體的高效界面蒸發(fā)材料,相關(guān)成果以“Thermodynamically Self-Assembly Hydration-Cycle Crystals for Multidimensional Off-Grid Water-Energy Nexus”（ 熱力學(xué)自組裝水合循環(huán)晶體驅(qū)動(dòng)多維離網(wǎng)水能協(xié)同管理）為題發(fā)表于國(guó)際重要期刊《Advanced Materials》(影響因子27.3)。該研究為離網(wǎng)區(qū)域的海水淡化和廢水脫鹽領(lǐng)域提供了創(chuàng)新解決方案。
全球淡水短缺問(wèn)題因極端氣候和人口增長(zhǎng)而加劇，亟需發(fā)展適用于離網(wǎng)地區(qū)的去中心化水-能源-資源協(xié)同技術(shù)。太陽(yáng)能界面蒸發(fā)（SDIE）技術(shù)通過(guò)水的相變熱力學(xué)（潛熱2.26 MJ kg?1），可同時(shí)實(shí)現(xiàn)三重功能：1）集成工業(yè)余熱的混合熱管理；2）潛熱-電能/冷能轉(zhuǎn)換的能源回路；3）海水淡化中的資源回收。這使其成為同時(shí)生產(chǎn)淡水、能源和礦物的多功能平臺(tái)。然而，SDIE在資源豐富但經(jīng)濟(jì)受限地區(qū)的應(yīng)用面臨兩大挑戰(zhàn)：材料可持續(xù)性與可擴(kuò)展制造。這種轉(zhuǎn)型將使SDIE從資源密集型設(shè)施進(jìn)化為自維持節(jié)點(diǎn)，為離網(wǎng)社區(qū)提供水-能源-資源的協(xié)同解決方案。該研究受分子膠配體機(jī)制啟發(fā)，開發(fā)了一種環(huán)境友好的再生水合配位晶體材料（RHCS）。RHCS獨(dú)特的液體傳輸特性支持基于馬蘭戈尼效應(yīng)的錐形局部結(jié)晶器規(guī)模化制備，實(shí)現(xiàn)了無(wú)廢液排放的水-鹽聯(lián)產(chǎn)，在零液體排放模式下可同步產(chǎn)出淡水和結(jié)晶鹽。
仿生水合調(diào)控的閉環(huán)RHCS驅(qū)動(dòng)可持續(xù)界面蒸發(fā)
RHCS其獨(dú)特的雙層結(jié)構(gòu)通過(guò)氫鍵和離子配位協(xié)同穩(wěn)定，可在溫和條件下自組裝成超親水材料。RHCS 通過(guò)動(dòng)態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高效界面水調(diào)控，顯著降低蒸發(fā)能耗，并具備優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。基于太陽(yáng)能或余熱驅(qū)動(dòng)的可逆解離-重組過(guò)程，RHCS在海水淡化中展現(xiàn)出卓越的耐鹽性和蒸發(fā)效率。配套開發(fā)的模塊化蒸發(fā)裝置實(shí)現(xiàn)了高效水-熱協(xié)同管理，同時(shí)避免了傳統(tǒng)技術(shù)的高能耗問(wèn)題。該技術(shù)通過(guò)閉環(huán)材料再生和綠色工藝，為可持續(xù)水-能系統(tǒng)提供了創(chuàng)新解決方案。
液態(tài)水分子通過(guò)動(dòng)態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，其可變的氫鍵數(shù)量能調(diào)控其他化學(xué)鍵性質(zhì)。RHCS基質(zhì)通過(guò)調(diào)控氫鍵網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)熵驅(qū)動(dòng)水分子活化，使蒸發(fā)焓顯著降低，大幅提升汽化能效。這種效應(yīng)源于其不對(duì)稱配位結(jié)構(gòu)：既降低傳質(zhì)能壘，又通過(guò)離子-水相互作用維持基質(zhì)穩(wěn)定性。RHCS的蒸發(fā)抑制機(jī)制基于分層水重組，其中分子間電荷轉(zhuǎn)移調(diào)控氫鍵網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性。其結(jié)構(gòu)水（SW）展現(xiàn)溫度依賴特性：低溫下保持穩(wěn)定氫鍵網(wǎng)絡(luò)，高溫時(shí)擴(kuò)散系數(shù)顯著降低且保持結(jié)構(gòu)完整性。這種由不對(duì)稱氫鍵和離子水合驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化，使RHCS在降低蒸發(fā)焓的同時(shí)保持熱循環(huán)穩(wěn)定性。
RHCS通過(guò)水化循環(huán)回收顯著延長(zhǎng)使用壽命，其熱力學(xué)自組裝特性簡(jiǎn)化了再生過(guò)程。該系統(tǒng)基于三個(gè)熱編程階段構(gòu)建能量級(jí)聯(lián)閉環(huán)：25-35°C下自發(fā)水合實(shí)現(xiàn)低能耗制造；35-45°C維持水合網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定；100-150°C觸發(fā)配位解離。這一相對(duì)低溫的解離范圍使其可利用余熱或太陽(yáng)能聚光回收材料，尤其適合離網(wǎng)應(yīng)用。熱解驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)回收將材料分解為無(wú)水CaSO4單體，可重新水化組裝成新SDIE系統(tǒng)，再處理性能損失低于5%。全球豐富的水資源和CaSO4儲(chǔ)量，以及與工業(yè)設(shè)備的兼容性，為RHCS規(guī)模化應(yīng)用提供了保障。
基于RHCS的高性能全天候SDIE集成系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)
全球水資源短缺問(wèn)題存在顯著區(qū)域差異，現(xiàn)有可再生能源解決方案在水資源利用效率、系統(tǒng)壽命和經(jīng)濟(jì)性方面仍面臨挑戰(zhàn)。為此，本研究開發(fā)了基于RHCS基底的集成化SDIE系統(tǒng)，通過(guò)創(chuàng)新的水合-脫水循環(huán)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了水資源高效利用與物質(zhì)資源循環(huán)的協(xié)同優(yōu)化。該系統(tǒng)采用選擇性結(jié)晶分區(qū)設(shè)計(jì)，在零液體排放模式下可同步產(chǎn)出淡水和結(jié)晶鹽。RHCS獨(dú)特的液體傳輸特性支持基于馬蘭戈尼效應(yīng)的錐形局部結(jié)晶器規(guī)模化制備，實(shí)現(xiàn)了無(wú)廢液排放的水-鹽聯(lián)產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)在工業(yè)廢水和海水淡化等實(shí)際工況下的穩(wěn)定性，證實(shí)了RHCS在維持水力連續(xù)性方面的優(yōu)勢(shì)。長(zhǎng)期運(yùn)行測(cè)試顯示，系統(tǒng)在50小時(shí)內(nèi)保持穩(wěn)定的蒸發(fā)性能，光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)87.7%。RHCS基質(zhì)展現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性，100小時(shí)后仍保持95%以上的結(jié)構(gòu)完整性。此外，該系統(tǒng)通過(guò)工程化微孔通道設(shè)計(jì)增強(qiáng)耐鹽性，有效抑制高鹽條件下的鹽積累問(wèn)題。
相關(guān)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2023YFC3905603）和國(guó)家自然科學(xué)基金（42377390和52170091）項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202504614
