近日，我院吴德礼教授团队在可持续水处理与资源回收领域取得重要进展，成功开发了一种基于水合配位再生晶体的高效界面蒸发材料,相关成果以“Thermodynamically Self-Assembly Hydration-Cycle Crystals for Multidimensional Off-Grid Water-Energy Nexus”（ 热力学自组装水合循环晶体驱动多维离网水能协同管理）为题发表于国际重要期刊《Advanced Materials》(影响因子27.3)。该研究为离网区域的海水淡化和废水脱盐领域提供了创新解决方案。
全球淡水短缺问题因极端气候和人口增长而加剧，亟需发展适用于离网地区的去中心化水-能源-资源协同技术。太阳能界面蒸发（SDIE）技术通过水的相变热力学（潜热2.26 MJ kg−1），可同时实现三重功能：1）集成工业余热的混合热管理；2）潜热-电能/冷能转换的能源回路；3）海水淡化中的资源回收。这使其成为同时生产淡水、能源和矿物的多功能平台。然而，SDIE在资源丰富但经济受限地区的应用面临两大挑战：材料可持续性与可扩展制造。这种转型将使SDIE从资源密集型设施进化为自维持节点，为离网社区提供水-能源-资源的协同解决方案。该研究受分子胶配体机制启发，开发了一种环境友好的再生水合配位晶体材料（RHCS）。RHCS独特的液体传输特性支持基于马兰戈尼效应的锥形局部结晶器规模化制备，实现了无废液排放的水-盐联产，在零液体排放模式下可同步产出淡水和结晶盐。
仿生水合调控的闭环RHCS驱动可持续界面蒸发
RHCS其独特的双层结构通过氢键和离子配位协同稳定，可在温和条件下自组装成超亲水材料。RHCS 通过动态氢键网络实现高效界面水调控，显著降低蒸发能耗，并具备优异的循环稳定性。基于太阳能或余热驱动的可逆解离-重组过程，RHCS在海水淡化中展现出卓越的耐盐性和蒸发效率。配套开发的模块化蒸发装置实现了高效水-热协同管理，同时避免了传统技术的高能耗问题。该技术通过闭环材料再生和绿色工艺，为可持续水-能系统提供了创新解决方案。
液态水分子通过动态氢键网络形成扩展结构，其可变的氢键数量能调控其他化学键性质。RHCS基质通过调控氢键网络实现熵驱动水分子活化，使蒸发焓显著降低，大幅提升汽化能效。这种效应源于其不对称配位结构：既降低传质能垒，又通过离子-水相互作用维持基质稳定性。RHCS的蒸发抑制机制基于分层水重组，其中分子间电荷转移调控氢键网络适应性。其结构水（SW）展现温度依赖特性：低温下保持稳定氢键网络，高温时扩散系数显著降低且保持结构完整性。这种由不对称氢键和离子水合驱动的动态变化，使RHCS在降低蒸发焓的同时保持热循环稳定性。
RHCS通过水化循环回收显著延长使用寿命，其热力学自组装特性简化了再生过程。该系统基于三个热编程阶段构建能量级联闭环：25-35°C下自发水合实现低能耗制造；35-45°C维持水合网络稳定；100-150°C触发配位解离。这一相对低温的解离范围使其可利用余热或太阳能聚光回收材料，尤其适合离网应用。热解驱动的闭环回收将材料分解为无水CaSO4单体，可重新水化组装成新SDIE系统，再处理性能损失低于5%。全球丰富的水资源和CaSO4储量，以及与工业设备的兼容性，为RHCS规模化应用提供了保障。
基于RHCS的高性能全天候SDIE集成系统概念设计
全球水资源短缺问题存在显著区域差异，现有可再生能源解决方案在水资源利用效率、系统寿命和经济性方面仍面临挑战。为此，本研究开发了基于RHCS基底的集成化SDIE系统，通过创新的水合-脱水循环机制，实现了水资源高效利用与物质资源循环的协同优化。该系统采用选择性结晶分区设计，在零液体排放模式下可同步产出淡水和结晶盐。RHCS独特的液体传输特性支持基于马兰戈尼效应的锥形局部结晶器规模化制备，实现了无废液排放的水-盐联产。实验验证了该系统在工业废水和海水淡化等实际工况下的稳定性，证实了RHCS在维持水力连续性方面的优势。长期运行测试显示，系统在50小时内保持稳定的蒸发性能，光热转换效率达87.7%。RHCS基质展现出优异的耐久性，100小时后仍保持95%以上的结构完整性。此外，该系统通过工程化微孔通道设计增强耐盐性，有效抑制高盐条件下的盐积累问题。
相关研究得到了国家重点研发计划（2023YFC3905603）和国家自然科学基金（42377390和52170091）项目的支持。
论文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202504614
