2024年1月5日，《美国化学学会志》（J Am Chem Soc）期刊在线刊发了化学与化工学院刘宏芳教授、夏宝玉教授团队最新研究成果“钙基金属有机框架中的单极性溶液流动诱导海水蒸发产电”（Unipolar Solution Flow in Calcium−Organic Frameworks for Seawater-Evaporation-Induced Electricity Generation）

水的流动与蒸发能够产生电能。若将地球上的海水蒸发体量巨大，将海水自然蒸发产生的能量转换为电能，能够缓解全球日益增长的电能需求。尽管近年来纯水的蒸发产电已经取得了巨大进展，但需要承认的是使用海水蒸发发电仍然十分困难，这源于海水中受限的电动效应。在前期纯水蒸发产电研究（Advanced Functional Materials, 202104732）基础上，华中科技大学刘宏芳教授、夏宝玉教授团队报道了一种新的超亲水钙基金属有机框架（CaBHA，C₁₂H₆Ca₂O₁₉·2H₂O）用于海水的蒸发产电。该MOF展现出水的超铺展行为，在海水自然蒸发的条件下可产生0.4 V的开路电压和14 μA的短路电流。

图1。海水流动和蒸发发电策略。具有亲水和带电亚纳米通道的CaBHA单晶，用于反离子的单极溶液流动，以在海水中产生流动电势。

研究团队以钙离子和苯六酸为离子源和配体，采用缓慢溶液挥发法制备出超亲水的CaBHA单晶，CaBHA的亚纳米通道高度亲水且在水中易带电。在此晶体中，水分子、未配位羧基与钙氧配位结构单元形成了致密的、连续的氢键网络。研究团队进一步采用衬底诱导生长法制备了基于CaBHA纳米带海水发电器件。该器件在纯水中的蒸发产电的电压可达0.6 V，短路电流1 μA，而在模拟海水中，开路电压为0.4 V，短路电流则可达14 μA。而采用并联的方式，72个基于CaBHA纳米带发电机并联时短路电流可达1 mA。研究团队进一步探究了CaBHA纳米带发电机的海水流动-蒸发产电的机制。钠离子色谱结果表明器件稳态时上下两部分存在明显的钠离子浓度差（2.38倍），这表明流动电压来自于钠离子的输运。通过实验与模拟结果充分阐明了CaBHA在海水中的发电机制。在氢键网络的作用下，钠离子在CaBHA中的亚纳米通道发生流动，即单极性溶液流动，从而建立流动电压差。这项研究工作不仅展示了一种海水流动/蒸发诱导发电的MOF晶体，而且也为受限电动效应，以及自发的水-能转换技术提供了启发。

我校为该项工作的第一完成单位及通讯单位。该论文第一作者为华中科技大学化学与化工学院王正运博士，通讯作者为华中科技大学化学与化工学院刘宏芳教授和夏宝玉教授。

全文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c13159