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天津大學(xué)劉憲華/于楨等 Nano Energy:離子泵啟發(fā)的仿生太陽能界面蒸發(fā)平臺 - 用于同步海水淡化、海水提鈾和蒸發(fā)產(chǎn)電
2024-09-13  來源:高分子科技

  水、能源和資源危機是當(dāng)下最嚴(yán)峻的全球性挑戰(zhàn)。海洋覆蓋了地球表面71%的水,不僅蘊藏著寶貴的礦產(chǎn)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(xù)的海水資源化利用有望解決上述挑戰(zhàn)。近期,天津大學(xué)劉憲華教授與于楨助理研究員等人合作,開發(fā)了一種受離子泵啟發(fā)的仿生太陽能界面蒸發(fā)平臺,可同步實現(xiàn)海水淡化、海水提鈾和蒸發(fā)產(chǎn)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(fā)表在著名國際期刊《Nano Energy(IF =16.8)上。



  細(xì)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(zhuǎn)運(圖1a)。在這個過程中,細(xì)胞內(nèi)特定離子的濃度總是高于細(xì)胞外的濃度,同時,離子的跨膜轉(zhuǎn)運會改變膜電位(圖1b)。本文開發(fā)了一種受離子泵啟發(fā)的仿生太陽能界面蒸發(fā)平臺(IBIP。 ATP驅(qū)動的離子跨膜傳輸類似,IBIP可通過太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)過程快速捕獲海水中的鈾酰離子。此外,界面蒸發(fā)過程誘導(dǎo)的鹽擴散效應(yīng)顯著提高了IBIP水伏電位。因此,精心設(shè)計的IBIP可同步實現(xiàn)海水淡化、蒸發(fā)發(fā)電和海水提鈾,為海水資源化利用開辟了新途徑。


1 IBIP的設(shè)計靈感。


  該工作研究了IBIP在真實海水中的長期蒸發(fā)性能、鈾提取能力和發(fā)電能力。得益于出色的排鹽性能和間歇式運行策略,IBIP48小時內(nèi)實現(xiàn)了約1.80 kg m-2 h-1的穩(wěn)定蒸發(fā)速率。同時,次循環(huán)中實現(xiàn)了超過80%的穩(wěn)定鈾提取率。IBIP還展示了優(yōu)越的發(fā)電性能,在連續(xù)4000分鐘內(nèi)的連續(xù)運行過程中,其開路電壓和短路電流分別達(dá)到0.9 V14.0 μA,其產(chǎn)生的電力足以照亮“TJU”圖案。


IBIP 的實際應(yīng)用。


  綜上,這項工作提出了一種通過海水淡化、蒸發(fā)發(fā)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(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(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(xué);香港城市大學(xué);南京大學(xué)

  論文DOIhttps://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110232

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