图 (a)界面蒸发梯度工程用于水、能源和矿物资源收集；(b)氢键网络调控策略实现低温湿气发电

在国家自然科学基金项目（批准号：52376048）资助下，大连理工大学极端条件热物理及能源系统团队的唐大伟教授、李林教授等人，在面向新型水能利用的光-湿界面能量转化研究方面取得系列成果。相关成果分别以“用于水、能源和矿物获取的界面蒸发中的梯度工程（Gradient engineering in interfacial evaporation for water, energy, and mineral harvesting）”和“通过混合溶质工程在 -30℃下实现高效的湿气能量收集（High-Efficiency Moisture Energy Harvesting at -30℃ via Hybrid Solute Engineering）”为题，连续发表在《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）期刊上。论文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE05239K；https://doi.org/10.1039/D4EE05936K。

全球资源危机与能源转型需求日益迫切：目前，超过10亿人仍缺乏清洁饮用水，矿物资源的竞争愈加激烈；气候变化持续威胁能源安全，而极端环境下电子设备电力供应的稳定性问题也逐渐凸显。在此背景下，太阳能界面蒸发技术作为一种新兴的能源转换方式，能够实现淡水、绿色电力和矿物资源的协同生产。然而，现有系统在多物理场耦合调控以及能质传递与转化方面仍面临瓶颈。与此同时，湿气发电技术虽然作为一种创新的环境能量收集方式而备受关注，但在低温条件下水分冻结所导致的性能衰减，限制了其在冬季户外健康监测、极地医疗和科考等特定场景中的应用。突破这些技术瓶颈，对于推动可持续发展和保障极端环境能源供应具有重要意义。

针对界面蒸发系统在多物理场耦合与能质传递方面所面临的问题，研究团队提出通过调控能量和物质传递过程，强化界面蒸发系统中的多种梯度（如温度梯度、盐度梯度和离子浓度梯度），以提升水-能源-矿物的联合生产效率。这一策略旨在优化太阳能海水淡化、热电输出、海水提锂等过程的综合输出效能。此外，团队还探讨了如何协同不同梯度、并有效缓解梯度之间的冲突，所提出的“梯度工程”策略有望为界面蒸发技术的发展开辟新的研究思路与方向。与此同时，为解决极端环境下的湿气发电失效问题，研究团队提出了一种基于氢键网络调控的混合溶质协同策略，从分子层面重构水的氢键网络，实现了抗冻性与高效电力输出的平衡。通过引入具有功能互补性的阴离子盐和有机溶剂，有效抑制了低温下水分的冻结，稳定了离子迁移通道。基于该策略设计的湿气发电器在-30℃下能够稳定输出0.67 V的电压和86.2 μA·cm⁻²的电流密度，低温电学性能较现有技术提升了一个数量级。此外，长期测试表明，该器件在-25℃和50%相对湿度条件下可连续工作超过10天，输出电压稳定维持在0.74 V，验证了其在极端条件下的可靠性。这一系列技术突破不仅为界面蒸发和湿气发电技术的发展和应用提供了可行的解决方案，也为可持续能源的开发与极端环境下的能源保障提供了理论基础与技术支撑。

原文链接：https://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab1218/info94550.htm