近期，海南大学电化学脱盐与器件团队围绕海水淡化、二氧化碳资源化利用、硝酸盐污染治理以及海洋环境下光电探测等方向持续开展研究，在电催化材料设计、连续脱盐器件构筑及海洋光电器件稳定性提升方面取得系列进展。相关成果分别发表于 Angewandte Chemie International Edition 和 Nano Letters。
这些研究针对传统海水淡化过程中能耗高、处理速率慢、设备连续运行能力不足，以及海洋光电器件易受光衰减和海水腐蚀等问题，提出了多种材料与器件协同设计策略，为海水资源高效利用、污染物治理和海洋环境感知提供了新的技术路径。
一、构建无需更换电解液的连续电催化脱盐系统
海水淡化与电催化反应相结合，有望在制备淡水的同时实现二氧化碳资源化利用。然而，传统耦合体系普遍存在脱盐速率较慢、电解液易降解、运行过程中需要频繁更换电解液等问题，制约了技术的连续运行和规模化应用。
针对上述问题，团队构建了一种由二氧化碳电还原驱动的连续电催化脱盐系统。该系统采用自平衡循环电解液架构，通过包含盐浓度室以及相互连通的阳极、阴极循环通道的五室电池，实现离子的持续传输，并有效抑制副产物积累，从而免除运行过程中的电解液更换。
在材料方面，研究团队制备了纳米棒状钴酞菁/羧化碳纳米管复合催化剂，实现了高电流密度下稳定的二氧化碳电还原制一氧化碳。在天然海水条件下，该系统连续运行90小时无需更换电解液，盐去除速率达到1592.8 μg·cm⁻²·min⁻¹，处于已报道电催化脱盐体系的较高水平；同时，一氧化碳生成的法拉第效率达到95.5%–96.4%，生成速率超过683 μmol·cm⁻²·h⁻¹。经处理后，海水离子去除率超过99%，产水达到饮用水相关标准。技术经济分析表明，该体系能够显著降低电解液使用成本。
相关成果以“Electrolyte-Replacement-Free Continuous Electrocatalytic Desalination Coupled With CO₂ Reduction at Record Throughput and Low Cost”为题发表于 Angewandte Chemie International Edition。海南大学为第一署名单位，华南师范大学李敏章副研究员、海南大学陈福明教授和悉尼大学陈元教授为论文通讯作者。
论文链接：//doi.org/10.1002/ange.9124699
二、实现海水淡化与二氧化碳电还原高效耦合
针对传统电催化海水淡化体系脱盐速率较慢、适用水源通常局限于高盐浓度溶液等问题，团队进一步提出了海水淡化与电化学二氧化碳还原耦合的新方法。研究中，团队制备了嵌入铜纳米颗粒的 ZIF-8 衍生碳催化剂。该催化剂在二氧化碳电还原过程中表现出优异的催化活性和选择性，一氧化碳生成速率达到288 μmol·cm⁻⟡·h⁻¹，法拉第效率达到94.3%。高效的二氧化碳电还原反应能够提供较高电流密度，进而驱动盐离子快速通过离子交换膜，实现海水的快速脱盐。该集成装置的盐去除速率达到1043.49 μg·cm⁻⟡·min⁻¹，在相关电催化海水淡化研究中处于较高水平。以天然海水为处理对象时，系统离子去除率达到99%，能够获得饮用水。相关成果以“Fast Seawater Desalination Integrated with Electrochemical CO₂ Reduction”为题发表于 Angewandte Chemie International Edition。海南大学为第一署名单位，南方医科大学陈训财副教授、海南大学陈福明教授和悉尼大学陈元教授为论文通讯作者。
论文链接：//doi.org/10.1002/anie.202415806
三、双金属聚酞菁框架实现快速脱盐与硝酸盐污染同步治理
淡水资源短缺与水体硝酸盐污染是当前水安全领域面临的两项重要挑战。为实现淡水制备与污染物去除协同进行，团队构建了双金属铁/锌聚酞菁框架（Fe/Zn PPc），将海水淡化与电化学硝酸盐还原反应相结合。该材料可作为高性能硝酸盐还原反应催化剂，将硝酸根选择性还原为氨。在材料结构中，Zn–N₄单元能够调控 Fe–N₄ 活性位点的 d 带中心，增强硝酸根吸附和活性氢中间体生成，从而提高反应动力学。原位光谱表征与理论计算结果表明，该协同调控机制使催化剂的转换频率提高至原来的3.22倍。优化后的 Fe₈Zn₁PPc 催化剂在 −0.55 至 −0.95 V（相对于可逆氢电极，RHE）的宽电位范围内，氨生成法拉第效率超过97%；在 −0.85 V（vs. RHE）条件下，氨生成速率达到2.68 mmol·h⁻¹·cm⁻⟡，并可稳定运行超过120小时。将该催化剂应用于电催化脱盐装置后，盐去除速率达到1326.92 μg·cm⁻⟡·min⁻¹。经过10次天然海水淡化循环，系统离子去除率仍可达到99%，并获得符合饮用水相关标准的产水。该研究实现了海水淡化与硝酸盐污染治理的协同进行，为应对水资源短缺和水体污染提供了新的解决方案。相关成果以“Fast Seawater Desalination Driven by Efficient Nitrate Reduction via Bimetallic Iron/Zinc Polyphthalocyanine Frameworks”为题发表于 Angewandte Chemie International Edition。云南大学郭璐副教授，海南大学/华南师范大学陈福明教授和悉尼大学陈元教授为论文通讯作者。
论文链接：//doi.org/10.1002/anie.202506712
四、异质结工程提升海洋光电探测器的抗腐蚀与长期运行能力
除电催化脱盐外，团队还面向复杂海洋环境下的光电探测需求，开展了海水环境中光电化学器件稳定性研究。在实际海洋环境中，光线在水体中的反射、散射和吸收会导致深水区域光信号显著衰减，传统光电探测器难以有效识别微弱信号。同时，部分具有合适带隙的半导体材料，如金属硫化物和砷化镓（GaAs），容易发生光腐蚀，影响器件的长期稳定运行。针对上述问题，研究团队设计并制备了基于 p-GaAs/n-CdS 异质结的光电化学光电探测器。通过异质结工程，器件内部形成的内建电场能够加速载流子传输；阶梯状能带结构以及 n-CdS 较高的电子迁移率，则有助于实现光生载流子的快速分离，减少电子在 GaAs 表面的积累，从而有效抑制光腐蚀。该器件在海水环境中表现出较高的光响应灵敏度、宽光谱响应范围和优异的长期稳定性，可用于水下微弱光信号探测，为海洋环境监测和水下光电信息感知提供了新的器件设计思路。
相关成果以“Heterojunction Engineering Significantly Resisting Seawater and Photocorrosion Enable Photoelectrochemical Detectors' Prolonged Lifespan”为题发表于 Nano Letters。香港理工大学梁文浩助理教授、浙江师范大学江国灿副教授、华南师范大学陈和冬副教授，以及华南师范大学/海南大学陈福明教授为论文通讯作者。
论文链接：//doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c04473
持续推进电化学材料与器件研究
上述系列研究体现了海南大学电化学脱盐与器件团队在电催化材料设计、脱盐反应器构筑及海洋环境光电器件开发方面的持续积累。团队通过将电催化反应与海水淡化、污染治理相结合，探索了淡水制备、二氧化碳资源化利用和污染物高值转化协同发展的新模式；同时，通过异质结工程提升光电器件在海水环境中的稳定性，为海洋资源高效利用和海洋智能感知提供了技术支撑。
未来，团队将继续围绕绿色电化学过程、海水资源综合利用及海洋环境功能器件等方向开展研究，进一步推动相关成果从实验室研究向实际应用转化，为水资源安全、碳资源利用和海洋强国建设贡献科研力量。
撰稿：陈福明
审核：潘福生
