2024年1月5日，《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)志》（J Am Chem Soc）期刊在線(xiàn)刊發(fā)了化學(xué)與化工學(xué)院劉宏芳教授、夏寶玉教授團(tuán)隊(duì)最新研究成果“鈣基金屬有機(jī)框架中的單極性溶液流動(dòng)誘導(dǎo)海水蒸發(fā)產(chǎn)電”（Unipolar Solution Flow in Calcium?Organic Frameworks for Seawater-Evaporation-Induced Electricity Generation）
水的流動(dòng)與蒸發(fā)能夠產(chǎn)生電能。若將地球上的海水蒸發(fā)體量巨大，將海水自然蒸發(fā)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能，能夠緩解全球日益增長(zhǎng)的電能需求。盡管近年來(lái)純水的蒸發(fā)產(chǎn)電已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展，但需要承認(rèn)的是使用海水蒸發(fā)發(fā)電仍然十分困難，這源于海水中受限的電動(dòng)效應(yīng)。在前期純水蒸發(fā)產(chǎn)電研究（Advanced Functional Materials, 202104732）基礎(chǔ)上，華中科技大學(xué)劉宏芳教授、夏寶玉教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新的超親水鈣基金屬有機(jī)框架（CaBHA，C12H6Ca2O19·2H2O）用于海水的蒸發(fā)產(chǎn)電。該MOF展現(xiàn)出水的超鋪展行為，在海水自然蒸發(fā)的條件下可產(chǎn)生0.4 V的開(kāi)路電壓和14 μA的短路電流。
圖1。海水流動(dòng)和蒸發(fā)發(fā)電策略。具有親水和帶電亞納米通道的CaBHA單晶，用于反離子的單極溶液流動(dòng)，以在海水中產(chǎn)生流動(dòng)電勢(shì)。
研究團(tuán)隊(duì)以鈣離子和苯六酸為離子源和配體，采用緩慢溶液揮發(fā)法制備出超親水的CaBHA單晶，CaBHA的亞納米通道高度親水且在水中易帶電。在此晶體中，水分子、未配位羧基與鈣氧配位結(jié)構(gòu)單元形成了致密的、連續(xù)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用襯底誘導(dǎo)生長(zhǎng)法制備了基于CaBHA納米帶海水發(fā)電器件。該器件在純水中的蒸發(fā)產(chǎn)電的電壓可達(dá)0.6 V，短路電流1 μA，而在模擬海水中，開(kāi)路電壓為0.4 V，短路電流則可達(dá)14 μA。而采用并聯(lián)的方式，72個(gè)基于CaBHA納米帶發(fā)電機(jī)并聯(lián)時(shí)短路電流可達(dá)1 mA。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究了CaBHA納米帶發(fā)電機(jī)的海水流動(dòng)-蒸發(fā)產(chǎn)電的機(jī)制。鈉離子色譜結(jié)果表明器件穩(wěn)態(tài)時(shí)上下兩部分存在明顯的鈉離子濃度差（2.38倍），這表明流動(dòng)電壓來(lái)自于鈉離子的輸運(yùn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果充分闡明了CaBHA在海水中的發(fā)電機(jī)制。在氫鍵網(wǎng)絡(luò)的作用下，鈉離子在CaBHA中的亞納米通道發(fā)生流動(dòng)，即單極性溶液流動(dòng)，從而建立流動(dòng)電壓差。這項(xiàng)研究工作不僅展示了一種海水流動(dòng)/蒸發(fā)誘導(dǎo)發(fā)電的MOF晶體，而且也為受限電動(dòng)效應(yīng)，以及自發(fā)的水-能轉(zhuǎn)換技術(shù)提供了啟發(fā)。
我校為該項(xiàng)工作的第一完成單位及通訊單位。該論文第一作者為華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院王正運(yùn)博士，通訊作者為華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院劉宏芳教授和夏寶玉教授。
全文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c13159
