水、能源和资源危机是当下最严峻的全球性挑战。海洋覆盖了地球表面71%的水，不仅蕴藏着宝贵的矿产资源（如锂和铀等），还有巨大的可再生能源（如潮汐能和盐差能等）。因此，高效可持续的海水资源化利用有望解决上述挑战。近期，天津大学刘宪华教授与于桢助理研究员等人合作，开发了一种受离子泵启发的仿生太阳能界面蒸发平台，可同步实现海水淡化、海水提铀和蒸发产电。该工作近期以“Ion pump-inspired biomimetic interfacial evaporation platform for simultaneous seawater desalination, uranium extraction, and electricity generation”为题发表在著名国际期刊《Nano Energy》(IF =16.8)上。
细胞中的离子泵是一种特殊的载体蛋白，在三磷酸腺苷（ATP）的作用下，能够有效地将特定离子逆浓度梯度跨膜转运（图1a）。在这个过程中，细胞内特定离子的浓度总是高于细胞外的浓度，同时，离子的跨膜转运会改变膜电位（图1b）。本文开发了一种受离子泵启发的仿生太阳能界面蒸发平台（IBIP）。与 ATP驱动的离子跨膜传输类似，IBIP可通过太阳能驱动的界面蒸发过程快速捕获海水中的铀酰离子。此外，界面蒸发过程诱导的盐扩散效应显著提高了IBIP的水伏电位。因此，精心设计的IBIP可同步实现海水淡化、蒸发发电和海水提铀，为海水资源化利用开辟了新途径。
该工作研究了IBIP在真实海水中的长期蒸发性能、铀提取能力和发电能力。得益于出色的排盐性能和间歇式运行策略，IBIP在48小时内实现了约1.80 kg m-2 h-1的稳定蒸发速率。同时，在6 次循环中实现了超过80%的稳定铀提取率。IBIP还展示了优越的发电性能，在连续4000分钟内的连续运行过程中，其开路电压和短路电流分别达到0.9 V和14.0 μA，其产生的电力足以照亮“TJU”图案。
综上，这项工作提出了一种通过海水淡化、蒸发发电和海水提铀等过程同步利用海水资源的新方法，有望加速实现可持续发展目标（SDG）。
论文信息：
第一作者：许硕，赵科
通讯作者：刘宪华，于桢，曹宁宁
通讯单位：天津大学；香港城市大学；南京大学
论文DOI：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110232
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