厦大侯旭教授课题组Nano Res.：连续氢键网络促进高效海水淡化

太阳能海水淡化技术能够直接利用可再生的太阳能能源加热多孔薄膜材料、促进海水的蒸发、实现从海水到淡水的转化，是一种面向未来的，绿色清洁、可持续发展的海水淡化技术。近年来，碳纳米管由于其具有高吸光度、高效热转化率、中空高速水通道结构等特点被广泛应用于制备复合薄膜以促进海水蒸发，实现更高效海水淡化。在太阳能海水淡化过程中，必然伴随着海水从液相到气相转变的蒸发过程以及海水中盐离子的截留过程，因此研究碳纳米管内部气-液相转变过程中的物质分离机制具有重要的意义。然而，受限于单一孔径碳纳米管阵列薄膜制备精度难以保证，以及如何实时监测纳米尺度碳管内部相变过程中的离子输运等难题，液-气相变过程时纳米限域空间中的物质传输机制尚未清晰。因此，弄清楚不同孔径碳纳米管中的液-气相变与物质传输是指导提升太阳能海水淡化效率、优化膜设计的重要科学问题。

围绕以上科学问题展开，厦门大学侯旭教授团队精确构建一系列不同孔径的单根碳纳米管与碳纳米管阵列模型，借助分子动力学模拟可在飞秒时间尺度和纳米的空间尺度上观察碳纳米管内部的水分子相变传输和离子截留行为。研究发现，当海水升温蒸发通过碳纳米管复合膜的过程中，离子截留率由碳纳米管孔径唯一决定，同时惊奇地发现决定水分子是否稳定连续穿过碳纳米管的因素在于已通过的水分子是否与碳纳米管内部的待通过的水分子形成了连续的氢键网络。如图1所示，如果这个氢键网络是连续的（左图），那么更多的水分子会持续快速传输通过；相反，如果氢键网络出现断裂（右图），甚至可以终止水分子的传输，这一发现说明蒸发膜另一侧并非“越干越好”，适当的湿度反而有利于更多水分子的通过。

图1 碳纳米管复合膜用于太阳能海水淡化示意图。

另外，研究发现，碳纳米管阵列中每个碳纳米管的传输与截留都是相互独立、互不影响的，文中提出单一碳纳米管传输特性与碳管阵列整体传输性能的计算关系，并很好地预测了不同碳管阵列的传输特性，如图2。这对于预测每根碳纳米管对总体性能的贡献以及如何选择碳纳米管排列已达到整体性能最优化均具指导意义。研究表明，通过对碳管阵列中碳管孔径与排布方式的有效设计，能够获得高效传输与高离子截留率并存的碳纳米管阵列结构。

图2 具有不同海水淡化效率与截留率的碳纳米管阵列设计方案。（a）单根碳纳米管在阵列中的传输行为相互独立、互不影响；（b）不同管径碳纳米管的传输性能参数；（c）不同碳纳米管阵列设计的传输性能预测值与模拟值对比。

该工作在厦门大学化学化工学院侯旭教授的指导下完成，厦门大学侯旭课题组博士后侯雅琦为论文的第一作者。

侯旭，厦门大学化学化工学院和物理科学与技术学院双聘教授、国家重点研发计划纳米科技重点专项项目负责人、厦门大学仿生多尺度孔道课题组组长。从事微/纳尺度多孔膜科学与技术研究十余年，曾先后在四川大学、国家纳米科学中心、美国哈佛大学、美国麻省理工学院(MIT)、厦门大学等国际国内一流研究机构学习与工作。主持过国家自然科学基金、国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、福建省战略性新兴产业专项项目、福建省杰出青年科学基金项目等。主编出版了2本国际学术著作，并以第一或通讯作者在Nature, Nature Reviews Materials, National Science Review, Chemical Society Reviews, Science Advances, Nature Communications, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, Journal of the American Chemical Society, Nano Letters等上发表论文45篇，授权国内外专利11项。担任中国化学会仿生材料化学委员会委员、国际仿生工程学会青年委员会委员、Chinese Chemical Letters第三届青年编委会委员、《应用化学》第十届编委会青年编委、Cell旗下Cell Reports Physical Science杂志咨询委员会委员、中国旅美科协大波士顿分会理事、首批闽江科学传播学者、固体表面化学国家重点实验室青委会会长等兼职。曾获2020年第二届全国创新争先奖状、“国际水协会-首创水星奖”科学创新类金奖；2019年中国胶体与界面化学优秀青年学者奖、国际微系统与纳米工程峰会优秀青年科学家；2018年中国化学会青年化学奖；2014年美国化学会SciFinder化学领域未来领袖、哈佛大学博士后事业发展奖；2013年Springer论文奖；2012年度中国科学院优秀博士学位论文；2011年全国卢嘉锡优秀研究生奖和全国胶体与界面化学优秀成果奖一等奖等。2020年入选福建省十佳科学传播学者；2019年是全球最具权威性的化学组织“国际纯粹与应用化学联合会 IUPAC”成立100周年，侯旭教授代表中国遴选为IUPAC全球青年化学家元素周期表元素 100 号代言人，IUPAC官网称其研究方向代表学科在下一个百年的发展方向之一，体现IUPAC的使命与核心价值观，曾被《光明日报》、《科技日报》、《文汇报》等重要刊物积极评价与报道，同时入选了中国青年化学家元素周期表代言人、美国化学会工业与工程化学研究全球有影响力青年学者等。侯旭教授所引领的“液体门控技术”的原创研究，与“人工智能、纳米传感器、快速诊断测试、核糖核酸疫苗等”被 IUPAC 评为2020年全球“化学领域十大新兴技术”。由于侯旭教授的新概念膜材料系列原创成果，曾受邀参加了央视CCTV《人物-故事》及《百家讲坛》栏目，展示当代青年科学家的原创力、新型研究理念与瞩目研究成果。

侯旭教授课题组依托厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室和能源材料化学协同创新中心。课题组目前开展的研究工作包括：胶体与界面化学，仿生和智能多尺度孔/通道系统，膜科学和技术，微流体，界面科学，物理化学，电化学和用于节能和生物医学应用的微纳制造。团队现成员：教授1名，博士后5名，博士11名，硕士14名，科研助理2人，常年招收优秀教授、副教授、本科生、研究生和博士后，联系方式：https://xuhougroup.xmu.edu.cn/

Yaqi Hou, Miao Wang, Xinyu Chen & Xu Hou^*.Continuous water-water hydrogen bonding network across the rim of carbon nanotubes facilitating water transport for desalination. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-020-3173-2.

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