近日，大连理工大学极端条件热物理团队的李林副教授、唐大伟教授在水能利用研究中取得重要进展，成果在一周内连续发表于国际顶级期刊Advanced Materials。2月16日，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，又发表了题为“High-performance, highly stretchable, flexible moist-electric generators via molecular engineering of hydrogels”的论文，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。

【第一篇简介】

第一作者：贺楠 博士生

通讯作者：李林 副教授

通讯单位：大连理工大学

研究背景：

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。然而，海水蒸发过程中，光热表面水汽化会造成盐分析出并在蒸发表面积累，导致大多蒸发器仅能运行几个到几十小时。传统的抗积盐方法，主要分为两类：光热层疏水化和强化对流传质。前者通过使上部光热层疏水化来避免海水到达光热表面，防止盐离子积累。但这种方法会增大光热层与海水之间的热阻，降低蒸发速率。后者通过强化水的对流来运移盐离子，但加快对流不仅会从蒸发表面带走盐分，还会带走热量，导致蒸发表面温度下降，制约了蒸发速率。因此，传统的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。

研究内容：

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。李林副教授等人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Na⁺和Cl^-可识别性离子通道，用于操控阴阳盐离子的运移轨迹，实现了Na⁺和Cl^-在蒸发器内反向传递，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。

图1. 传统蒸发器与Janus离子选择性蒸发器的传热传质过程示意图。

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^-2 h^-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。此外，该方法在传统扩散-对流移盐的基础上，引入了电场力的作用，实现了电迁移、扩散和对流的协同强化，加速了盐离子的高效排除。该蒸发器在15wt%的高浓盐水中可以连续高效运行超过7天，蒸发表面始终没有出现积盐现象，且蒸发性能保持稳定。这种离子选择性传递致内建电场驱动的方法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。

图2. Janus离子选择性蒸发器的热利用、蒸发及抗积盐性能。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202300189

【第二篇简介】

第一作者：张昊天 博士生

通讯作者：李林 副教授

通讯单位：大连理工大学

研究背景：

湿气发电是一种新兴的能源转化技术，通过吸湿材料吸收空气中的水分子，然后利用水分子与纳米材料之间的相互作用，将湿气中所蕴含的化学能转化为电能。近几年，湿气发电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，大多数已报道的湿气发电器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。

研究内容：

为解决上述问题，李林副教授等人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，磺酸基团赋予水凝胶聚合链更稳健的分子结构及电离特性，而锂离子能够在水凝胶中诱导产生霍夫迈斯特效应，削弱其聚合链分子结构之间的相互作用，拓宽聚合链之间的间距并构建出大量的离子传输通道，使水凝胶的离子传导率提高了15倍。

图1. 分子工程水凝胶湿气发电器的应用、结构、可拉伸性和电学性能。

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。此外，这种柔性、可拉伸的湿气发电器可以将人体呼吸过程中产生的湿气转化为电能，从而可应用于防护性可穿戴设备中，包括呼吸监测口罩、智能头盔、医疗防护服等。该工作推动了湿气发电技术向可穿戴电子设备的应用。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202300398

【通讯作者简介】

李林，博士生导师，副教授，33岁。主要从事多孔介质传热传质、太阳能界面蒸发等的研究，主持了国家自然科学基金面上项目、青年项目、中国博士后基金特别资助项目等。近年以第一作者、通讯作者在Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Small, Cell Reports Physical Science, EcoMat, Chemical Engineering Journal, Energy Conversion and Management, ACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表SCI论文40余篇，4篇入选期刊封面。任DeCarbon青年编委。

联系方式：

lilinnd@dlut.edu.cn