南京航空航天大学郭万林院士团队Joule:自然蒸发维持的可规模化昼夜连续浓差发电

第一作者：方孙淼，郑春晓，陆欢

通讯作者：郭万林，李秀强

单位：南京航空航天大学

地球上绝大多数可再生能源最终来源于太阳辐射。尽管光伏技术已得到广泛应用，但其发电过程受昼夜循环限制而具有间歇性，难以实现连续稳定供能。浓差发电利用不同盐度溶液之间的化学势差发电，是一种重要的绿色能源利用方式。然而，现有浓差发电体系普遍面临一个核心瓶颈：随着膜面积增大，器件缺陷增加、离子选择性下降，导致输出功率密度迅速衰减，制约了实际应用。

商业Nafion离子交换膜虽然具有良好的力学和化学稳定性，但其内部离子传输通道无序复杂，在离子选择性与渗透性之间存在明显权衡，因此在大面积高效输出方面仍存在局限。如何通过材料设计在保持阴离子排斥能力的同时降低阳离子迁移能垒，并进一步耦合太阳蒸发过程在白天持续强化盐度梯度、夜间维持输出，是实现浓差发电规模化和持续化的关键科学问题。

近日，南京航空航天大学郭万林院士团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule 上发表研究论文，提出利用白天光照蒸发形成电渗透膜两面的离子浓差，突破光伏发电间歇性的限制，实现昼夜连续稳定发电的新策略。该团队通过理论计算指导离子选择膜优化设计，构筑了大面积 Nafion / graphene oxide（NGO）复合膜，并将其与太阳能蒸发过程耦合，实现了高效、可持续、可规模化的清洁能源转换。该体系在1 cm²单器件尺度上实现了8.5 W m⁻²的输出功率密度，较同尺度已报道体系高出一个数量级以上；由400个单元串联集成的模块可输出100 V电压，能够直接驱动手机充电、点亮上千个发光二极管，并驱动电解水制氢。进一步，该团队成功制备了1,000 cm²大面积NGO器件，单器件输出功率密度达到0.66 W m⁻²，刷新了大面积浓差发电体系的性能纪录。该研究为发展昼夜连续输出、可规模化部署的新型清洁能源与太阳能耦合利用技术提供了新思路。

理论计算揭示NGO膜中高效离子传输机制

研究团队首先从离子传输微观机制出发，对一系列Nafion基复合体系开展理论筛选与机制分析。结果表明，离子在亚纳米尺度通道中的传输受局域离子-基体相互作用决定的自由能势垒控制。在统一的负电荷阴离子排斥框架下，Na⁺迁移能垒可以作为评估复合膜性能的重要微观指标。通过理论计算，研究团队发现在纯Nafion体系中Na⁺主要通过相邻链段上的磺酸基之间跳跃迁移；而在NGO体系中，氧化石墨烯引入的羧基等含氧官能团可提供额外配位位点，并在局部增加自由体积，从而显著优化Na⁺的配位环境与传输路径。其结果是，Na⁺迁移的限速能垒由Nafion中的约0.75 eV降低至NGO中的约0.37 eV。进一步比较不同石墨烯表面官能团后发现，–COH、–OH、–O–、–COOH等含氧活性位点均更有利于Na⁺传输，而含硫基团或裸石墨烯则不利于快速迁移。分子动力学模拟和实验结果进一步证实，NGO膜相较于纯Nafion具有更高的Na⁺通量和更低的Cl⁻通量，即更优的阳离子选择性，这说明氧化石墨烯的引入不仅降低了Na⁺迁移能垒，还保持了对阴离子的有效排斥，为高性能混合基质离子选择膜的设计提供了明确的理论依据。

图1. 理论计算揭示NGO膜中高效离子传输机制

NGO膜在大面积条件下的优异浓差发电性能

在完成理论筛选后，研究团队采用自组装方法制备了大面积NGO复合膜。结构表征显示，氧化石墨烯在Nafion基体中实现了良好分散与界面相容，形成了连续、均匀、带负电的离子传输通路。基于这一结构优势，NGO膜在浓差发电性能上表现出显著提升。

在常用的小面积测试尺度下，NGO膜已经展现出优异输出；更重要的是，在更具应用意义的1 cm²器件尺度下，面对模拟卤水/淡水混合的6 M/0.01 M NaCl浓度梯度，器件实现了约0.28 V电压和12 mA电流，对应8.5 W m⁻²的功率密度，较同尺度的传统 Nafion膜及已报道浓差发电体系提高一个数量级以上。进一步地，研究团队系统比较了NGO与Nafion膜在不同面积、不同盐度梯度下的输出规律。结果显示，随着膜面积增大，NGO膜的功率密度下降速率明显慢于Nafion，表明其在大面积条件下仍能维持较高均匀性和传输效率。在100 cm²和1,000 cm²规模下，NGO器件分别实现2.4 W m⁻²和0.66 W m⁻²的输出功率密度，显著优于传统离子交换膜及已报道选择性膜体系。这些结果说明，该工作突破了浓差发电中“面积一大、性能骤降”的关键瓶颈，为膜基浓差发电从实验室走向规模化应用奠定了基础。

图2. NGO膜在大面积条件下的浓差发电性能

太阳能光热蒸发维持高盐度梯度，实现昼夜连续浓差发电

为解决太阳能利用过程中白天有光、夜间无光所带来的间歇性问题，作者提出并构建了一种太阳蒸发驱动—自然蒸发维持的混合浓差发电系统。该系统由离子选择性NGO膜、Ag/AgCl网状电极以及位于膜上方的碳纳米管涂覆泡沫蒸发器组成。蒸发器具有多孔亲水结构和优异光热转换能力，在一倍太阳光照射下可实现约2.8 kg m⁻² h⁻¹的快速蒸发速率，从而不断提高局部卤水盐浓度。实验结果表明，在标准太阳光照下，初始0.5 M NaCl溶液的浓度在4小时内逐步升高至6 M，同时器件输出电压由0.17 V增加至0.28 V。受益于盐度梯度的持续增强，1 cm² NGO器件的输出功率密度提升至8.5 W m⁻²。更重要的是，该策略并非仅在白天有效：由于白天太阳蒸发建立并维持了高盐度梯度，系统在夜间仍可持续输出，最终实现了超过10天的昼夜稳定发电。这一结果的关键意义在于：该工作不只是将太阳蒸发与浓差发电简单叠加，而是实现了白天强化、夜间延续的协同机制，从而为突破太阳能利用的间歇性限制提供了一条新的技术路径。

图3. 太阳能光热蒸发维持高盐度梯度，实现昼夜连续浓差发电

模块化集成输出达100 V，展现规模化应用潜力

除了提升单膜和单器件性能，作者还从系统工程角度验证了该技术的可扩展性。第一条路径是将多个基础单元串联集成。研究团队构建了由400个1 cm²单元组成的模块化系统，集成后可输出100 V电压，并成功实现手机充电、点亮超过1,000个发光二极管以及驱动电解水制氢。这表明该体系已不仅停留在材料层面的性能展示，而是具备了明确的系统级输出能力。第二条路径是放大单个器件尺寸。团队制备的1,000 cm² NGO大面积器件在保持较高功率密度的同时，输出电流达到0.9 A，并可持续稳定工作超过120分钟。随着有效面积增加，器件总输出电流和总功率均持续增长，显示出良好的工程放大潜力。由此可见，该工作同时在材料设计、器件性能、系统集成和应用验证四个层面取得进展，显著推进了浓差发电技术从概念验证走向规模化应用。

图4. 器件集成化与规模化应用研究

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Natural evaporation-maintained scalable day-and-night osmotic power generation

Sunmiao Fang, Chunxiao Zheng, Huan Lu, Xiaofeng Jiang, Jiajun Wang, Weicun Chu, Juncheng Sun, Jin Tan, Bingkun Tian, Jun Yin, Zhuhua Zhang, Xiuqiang Li, Wanlin Guo

Joule, 2026, DOI: 10.1016/j.joule.2026.102359

通讯作者介绍

郭万林，力学家，中国科学院院士，南京航空航天大学教授，国际前沿科学研究院院长。1981至1991年在西北工业大学获学士、固体力学硕士和博士学位。1996年获国家杰出青年科学基金资助，1999年入选教育部高层次人才计划，2012年获“全国优秀科技工作者”称号，2013 年获徐芝纶力学奖，2019年获何梁何利基金科学与技术进步奖和国际力学奖Eric Reissner Award，2020年获“全国先进工作者”称号。现任国务院学位委员会第八届学科评议组成员、第八届教育部科技委交叉科学与未来技术专门委员会副主任委员、中国力学学会常务理事等。

郭万林教授长期从事飞行器安全与智能化相关力学理论和关键技术研究，建立了空天结构三维疲劳断裂理论，相关成果应用于多种飞机型号及长征五号系列研制与排故。近年来，他系统开展低维材料结构力—电—磁—光—热耦合物理力学研究，预测并揭示了多种智能特性，相关成果获国家自然科学二等奖。与此同时，郭万林教授发现了流固界面双电层边界运动发电、气流发电和蒸发发电等新效应，提出水伏效应概念，拓展了经典双电层动电理论和无源传感技术，为新型环境能量收集与智能能源器件研究开辟了重要方向。

https://www.x-mol.com/university/faculty/527990

李秀强，长聘教授、博士生导师、国家高层次青年人才、江苏TP教授，校长空英才。南京大学材料学博士；美国杜克大学博士后、德累斯顿工业大学/马克斯普朗克微结构物理研究所博士后。科睿唯安全球高被引科学家（2025）。共发表论文50余篇，论文总引用10000余次，以第一/通讯作者在Nat. Water、Joule（4）、Sci. Adv.（2）、PNAS、Adv. Mater.（4）、Nat. Commun.、Natl. Sci. Rev.等学术期刊发表论文30余篇。加入南航以来，以第一/通讯作者在Nat. Water、Joule、Sci. Adv.、Adv. Mater.（4）、Nano Lett.（2）等期刊发表论文10余篇。授权发明专利7项，包括国际PCT专利2项。现任Wiley旗下期刊Global Challenges（IF=6.4）国际顾问委员、Advanced Fiber Materials（IF=21.3）青年编委等。担任Nature 系列等30多个期刊审稿人。

https://www.x-mol.com/groups/xiuqiang-Li

第一作者介绍

方孙淼，2023年毕业于南京航空航天大学航空学院力学系，获博士学位，师从郭万林院士。主要研究方向为水伏固液界面物理力学、环境绿色能源转换与离子输运。以第一作者或共同第一作者在 Joule、Energy & Environmental Science、National Science Review、Nano Research Energy、Nano Energy 等期刊发表多篇论文。

郑春晓，南京航空航天大学博士后。2024年毕业于南京航空航天大学航空学院力学系，获博士学位，师从郭万林院士。主要研究方向为水伏材料固液界面能量转换。以第一作者/共同第一作者在Joule、Nano Research、Interdisciplinary Materials、Carbohydrate Polymers等期刊发表论文8篇。授权发明专利2项，主持中国博士后科学基金面上项目1项，入选2025年江苏省卓越博士后计划。

陆欢，2023年毕业于南京航空航天大学航空学院力学系，获博士学位，师从郭万林院士。主要研究方向为二维材料表界面电子性质、固液界面物理力学及第一性原理计算。以第一作者/共同第一作者在Joule、Science Advances、Advanced Materials、Physical Review B、Nano Research、Nano Research Energy等期刊发表多篇论文，入选2023年江苏省卓越博士后计划。