近日，南京航空航天大学国际前沿科学研究院郭万林院士团队在能源领域顶级期刊Joule上发表了题为“Natural evaporation-maintained scalable day-and-night osmotic power generation”的研究论文。

【导读】

      随着全球能源需求持续增长，如何发展高效、可持续且能够连续输出的绿色能源技术，已成为能源科学的重要研究方向。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，难以实现全天候稳定供能。浓差发电利用不同盐度溶液之间的化学势差发电，是一种极具潜力的蓝色能源技术。然而，现有浓差发电体系在迈向实际应用过程中仍面临两大关键瓶颈：一是离子选择膜在大面积条件下容易出现缺陷积累和选择性衰减，导致功率密度快速下降；二是依赖外部盐度梯度的体系通常难以在昼夜循环中维持持续稳定输出。

      针对上述难题，郭万林院士团队设计并发展了一种基于Nafion/graphene oxide（NGO）复合膜的太阳蒸发耦合浓差发电体系，提出了自然蒸发维持的昼夜连续浓差发电策略。该工作通过理论计算指导膜材料设计，利用氧化石墨烯调控离子传输能垒，构建出兼具高选择性与高导电性的复合离子交换膜；进一步结合太阳光热蒸发过程，在白天持续强化局部盐度梯度，并在夜间维持系统输出，最终实现了单器件8.5 W m⁻²的高功率密度、400单元串联100 V的模块化输出，以及1,000 cm²大面积器件0.66 W m⁻²的纪录级表现，为可规模化、昼夜连续输出的绿色能量转换提供了新思路。

【本文要点】

要点一：太阳能光热蒸发维持高盐度梯度，实现昼夜连续浓差发电

      针对太阳能利用中“白天增强、夜间衰减”的间歇性难题，研究团队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网状电极以及碳纳米管涂覆泡沫蒸发器组成。蒸发器具有优异的光热转换能力和多孔亲水结构，在一倍太阳光照下可实现约2.8 kg m⁻² h⁻¹的快速蒸发速率，从而持续提高局部卤水浓度并强化膜两侧盐度梯度。实验表明，初始0.5 M NaCl溶液在4小时内可逐步浓缩至6 M，同时器件输出电压由0.17 V提升至0.28 V。受益于持续增强的盐度梯度，1 cm² NGO器件的输出功率密度达到8.5 W m⁻²，并最终实现了超过10天的昼夜稳定发电，为突破太阳能利用中的间歇性限制提供了新思路。

图1. 太阳能光热蒸发实现昼夜连续浓差发电。

要点二：大面积器件与模块化集成协同推进，展现浓差发电的规模化应用潜力

      为推动浓差发电从单器件性能验证走向实际应用，研究团队从两条路径提升体系总输出能力：一方面，通过放大单个器件尺寸，制备出1,000 cm²的NGO大面积器件，在保持较高功率密度的同时实现0.9 A输出电流，并稳定工作超过120分钟；另一方面，通过将多个基础单元进行串联集成，构建了由400个1 cm²单元组成的模块化系统，输出电压达到100 V。基于这一系统，作者进一步展示了其实际负载能力，包括为手机充电、点亮超过1,000个LED以及驱动电解水制氢。该结果表明，NGO浓差发电体系不仅具备大面积扩展能力，同时也具备模块化集成输出能力，为规模化部署提供了重要支撑。

图2. 大面积器件与规模化集成

要点三：NGO膜在宽尺度范围内保持优异输出，突破大面积浓差发电性能衰减瓶颈

      大面积条件下的性能快速衰减是浓差发电技术面临的核心瓶颈之一。为此，团队系统比较了 NGO 膜与商业 Nafion 膜在不同面积和不同盐度梯度下的输出行为。结果表明，在模拟卤水/淡水混合的6 M/0.01 M NaCl梯度下，1 cm² NGO器件实现约0.28 V电压和12 mA电流，对应8.5 W m⁻²的输出功率密度，较同尺度传统 Nafion 膜及已报道体系高出一个数量级以上。随着面积由微小尺度扩展至100 cm²和1,000 cm²，NGO膜的功率密度下降速率明显慢于 Nafion，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其他报道体系。这表明NGO膜有效克服了“面积一大、性能骤降”的关键难题。

图3. NGO膜在大面积条件下保持优异浓差发电性能。

要点四：理论计算揭示NGO膜中高效离子传输机制，为复合膜设计提供依据

      为阐明NGO膜实现高性能输出的根源，团队结合理论计算、分子动力学模拟与实验测试，对Nafion与NGO膜中的离子传输行为进行了系统研究。结果表明，在纯Nafion中，Na⁺主要在相邻链段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不仅提供了额外配位位点，还局部增加了自由体积，从而显著优化了Na⁺的迁移路径。理论计算显示，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。进一步比较不同表面官能团后发现，–COH、–OH、–O–和–COOH等含氧位点更有利于Na⁺迁移。分子动力学模拟与实验结果进一步证实，NGO膜具有更高的Na⁺通量和更低的Cl⁻通量，即更优的阳离子选择性。该结果为高性能混合基质离子选择膜设计提供了明确的理论指导。

图4. 理论计算揭示NGO膜中高效离子传输机制。

作者信息

      本论文第一作者为郭万林院士的三位博士毕业生方孙淼、郑春晓和陆欢，通讯作者为郭万林院士和李秀强教授。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及相关项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2026.102359

Fang, S., Zheng, C., Lu, H. et al. Natural evaporation-maintained scalable day-and-night osmotic power generation. Joule (2026).