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天津大學劉憲華/于楨等 Nano Energy：離子泵啟發的仿生太陽能界面蒸發平臺 - 用于同步海水淡化、海水提鈾和蒸發產電

2024-09-13 來源：高分子科技

水、能源和資源危機是當下最嚴峻的全球性挑戰。海洋覆蓋了地球表面71%的水，不僅蘊藏著寶貴的礦產資源（如鋰和鈾等），還有巨大的可再生能源（如潮汐能和鹽差能等）。因此，高效可持續的海水資源化利用有望解決上述挑戰。近期，天津大學劉憲華教授與于楨助理研究員等人合作，開發了一種受離子泵啟發的仿生太陽能界面蒸發平臺，可同步實現海水淡化、海水提鈾和蒸發產電。該工作近期以“Ion pump-inspired biomimetic interfacial evaporation platform for simultaneous seawater desalination, uranium extraction, and electricity generation”為題發表在著名國際期刊《Nano Energy》(IF =16.8)上。

細胞中的離子泵是一種特殊的載體蛋白，在三磷酸腺苷（ATP）的作用下，能夠有效地將特定離子逆濃度梯度跨膜轉運（圖1a）。在這個過程中，細胞內特定離子的濃度總是高于細胞外的濃度，同時，離子的跨膜轉運會改變膜電位（圖1b）。本文開發了一種受離子泵啟發的仿生太陽能界面蒸發平臺（IBIP）。與 ATP驅動的離子跨膜傳輸類似，IBIP可通過太陽能驅動的界面蒸發過程快速捕獲海水中的鈾酰離子。此外，界面蒸發過程誘導的鹽擴散效應顯著提高了IBIP的水伏電位。因此，精心設計的IBIP可同步實現海水淡化、蒸發發電和海水提鈾，為海水資源化利用開辟了新途徑。

圖1 IBIP的設計靈感。

該工作研究了IBIP在真實海水中的長期蒸發性能、鈾提取能力和發電能力。得益于出色的排鹽性能和間歇式運行策略，IBIP在48小時內實現了約1.80 kg m^-2h^-1的穩定蒸發速率。同時，在6 次循環中實現了超過80%的穩定鈾提取率。IBIP還展示了優越的發電性能，在連續4000分鐘內的連續運行過程中，其開路電壓和短路電流分別達到0.9 V和14.0 μA，其產生的電力足以照亮“TJU”圖案。

圖2 IBIP 的實際應用。

綜上，這項工作提出了一種通過海水淡化、蒸發發電和海水提鈾等過程同步利用海水資源的新方法，有望加速實現可持續發展目標（SDG）。

論文信息：

第一作者：許碩，趙科

通訊作者：劉憲華，于楨，曹寧寧

通訊單位：天津大學；香港城市大學；南京大學

論文DOI：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110232

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（責任編輯：xu）

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