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一周两篇《Advanced Materials》,登上封面!唐大伟教授团队新突破!
点击数: 次 发布时间:2023-04-04 作者: 来源:


近日,我院极端条件热物理团队的唐大伟教授李林副教授在水能利用领域取得重要进展,成果一周连续发表在国际顶级期刊《先进材料》Advanced Materials,影响因子:32.086,其中一篇入选期刊封面,我校均为唯一完成单位

2月16日,在线发表了题为“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,又在线发表了题为“High-performance, highly stretchable, flexible moist-electric generators via molecular engineering of hydrogels”的论文,入选当期封面,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。《Advanced Materials》是自然指数期刊,是国际最具影响力的顶级期刊之一,是Wiley旗下Advanced系列(AEM、AFM、AS等)的旗舰主刊。

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。但光热表面水汽化会造成盐分积累,严重阻碍其长期运行的稳定性。将光热层疏水化和强化对流传质是当前抗积盐的主要方法。前者避免海水到达光热层来防止积盐,但其同时增大了光热层与海水之间的热阻,降低蒸发速率。后者加快水对流从蒸发表面带走盐分,但同时也带走了热量,制约蒸发速率。因此,传统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。

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。该团队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可识别性离子通道,实现了Na+和Cl-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。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-2h-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,突破了界面蒸发领域的性能瓶颈。该工作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。

研究成果原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202300189

湿气发电是一种新兴的能源转化技术,能够将大气水分中蕴藏的化学能转化为电能。近几年,该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,大多数湿电材料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。

为解决上述问题,该团队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,磺酸基团赋予聚合链更稳健的分子结构及电离特性,而锂离子能够诱导产生霍夫迈斯特效应,拓宽聚合链之间的间距并构建出大量的离子传输通道。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。该湿气发电器能够将人体呼吸过程中产生的湿气转化为电能,为电子设备提供动力。该工作推动了湿气发电技术向可穿戴电子设备的应用。

研究成果原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202300398

以上研究我校均为唯一完成单位。第一作者分别为我校亿万先生mr008cc官网博士生贺楠和张昊天。通讯作者为李林副教授。研究得到国家自然科学基金面上项目(No. 52076028)的支持。

极端条件热物理团队由唐大伟教授于2017年创建并领导,围绕我国能源动力装备、新型功能材料、航空航天、新一代电子芯片等领域重大需求,聚焦于太阳能、环境低品位能源等领域的前沿基础科学技术问题。通过开展其中的热能传递、储存及转化相关基础研究及关键技术开发,从而推动相关技术领域取得突破性进展。团队成立以来,承担了JKW重点项目、国家自然科学基金重点项目、重点国际合作项目、面上项目、国家重点研发计划课题等国家级项目,承担了大连市创新团队项目,并与中航工业、中国航发、中国航天科技、中石化等建立了良好的合作关系,并合作申报“两机专项”、基础加强等项目。团队近几年在Energy& Environmental Science, Advanced Materials, Science Advances,Nature Communication, Matter, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Energy等国际顶级期刊上发表多篇高水平论文。


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