2024年1月5日，《美國化學學會志》（J Am Chem Soc）期刊在線刊發了化學與化工學院劉宏芳教授、夏寶玉教授團隊最新研究成果“鈣基金屬有機框架中的單極性溶液流動誘導海水蒸發產電”（Unipolar Solution Flow in Calcium?Organic Frameworks for Seawater-Evaporation-Induced Electricity Generation）
水的流動與蒸發能夠產生電能。若將地球上的海水蒸發體量巨大，將海水自然蒸發產生的能量轉換為電能，能夠緩解全球日益增長的電能需求。盡管近年來純水的蒸發產電已經取得了巨大進展，但需要承認的是使用海水蒸發發電仍然十分困難，這源于海水中受限的電動效應。在前期純水蒸發產電研究（Advanced Functional Materials, 202104732）基礎上，華中科技大學劉宏芳教授、夏寶玉教授團隊報道了一種新的超親水鈣基金屬有機框架（CaBHA，C12H6Ca2O19·2H2O）用于海水的蒸發產電。該MOF展現出水的超鋪展行為，在海水自然蒸發的條件下可產生0.4 V的開路電壓和14 μA的短路電流。
圖1。海水流動和蒸發發電策略。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，以在海水中產生流動電勢。
研究團隊以鈣離子和苯六酸為離子源和配體，采用緩慢溶液揮發法制備出超親水的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構單元形成了致密的、連續的氫鍵網絡。研究團隊進一步采用襯底誘導生長法制備了基于CaBHA納米帶海水發電器件。該器件在純水中的蒸發產電的電壓可達0.6 V，短路電流1 μA，而在模擬海水中，開路電壓為0.4 V，短路電流則可達14 μA。而采用并聯的方式，72個基于CaBHA納米帶發電機并聯時短路電流可達1 mA。研究團隊進一步探究了CaBHA納米帶發電機的海水流動-蒸發產電的機制。鈉離子色譜結果表明器件穩態時上下兩部分存在明顯的鈉離子濃度差（2.38倍），這表明流動電壓來自于鈉離子的輸運。通過實驗與模擬結果充分闡明了CaBHA在海水中的發電機制。在氫鍵網絡的作用下，鈉離子在CaBHA中的亞納米通道發生流動，即單極性溶液流動，從而建立流動電壓差。這項研究工作不僅展示了一種海水流動/蒸發誘導發電的MOF晶體，而且也為受限電動效應，以及自發的水-能轉換技術提供了啟發。
我校為該項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化學與化工學院王正運博士，通訊作者為華中科技大學化學與化工學院劉宏芳教授和夏寶玉教授。
全文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c13159
