钠离子溶剂化行为对太阳能界面蒸发系统中水分子蒸发过程的调控机制研究

为解决高盐环境下太阳能界面蒸发(SDIE)系统效率下降问题，北京工业大学团队通过分子动力学(MD)模拟和密度泛函理论(DFT)计算，揭示了Na+形成[Na(H2O)5]+水合簇的微观机制，发现其通过水合-氢键竞争使蒸发率降低18%，为优化海水淡化技术提供理论依据。

　　

全球淡水资源短缺问题日益严峻，如何利用可持续能源实现高效海水淡化成为科学界关注的焦点。太阳能界面蒸发（Solar-driven interfacial evaporation, SDIE）技术因其直接利用太阳能在气液界面产生蒸汽的特性，被视为最具潜力的绿色水处理方案之一。然而在实际应用中，高盐度环境会导致SDIE系统蒸发效率显著下降，这一现象长期缺乏分子层面的合理解释。问题的核心在于：盐离子如何通过微观水分子结构调控影响蒸发动力学？这成为制约该技术走向大规模应用的关键瓶颈。

北京工业大学的研究团队在《Desalination》发表的研究成果，首次从钠离子（Na⁺）溶剂化行为的角度揭示了这一机制。通过多尺度模拟与实验验证相结合的方法，研究人员构建了包含890个水分子的海水模型，采用分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟和密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算，系统分析了不同盐浓度（35-320 g/L NaCl）下Na⁺-水分子相互作用对蒸发过程的影响。

关键技术方法包括：1）采用COMPASS II力场进行MD模拟，建立不同盐浓度的水分子体系；2）通过径向分布函数分析Na⁺水合结构；3）利用DFT计算电子转移和结合能；4）结合FTIR光谱验证氢键网络变化；5）使用自制三维蒸发器（碳粉/滤纸材质）进行实际海水淡化验证。

分子动力学模拟
模拟结果显示，Na⁺在溶液中优先与5个水分子配位形成稳定的[Na(H₂O)₅]⁺水合簇。这种特异性配位结构导致配位水分子发生显著电子云重排——每个配位水分子平均失去0.11个电子，引发O-H键长从0.970 ?延长至0.972 ?，H-O-H键角从102.59°扩大至103.47°，同时O-H键级从0.872降至0.841。这种结构畸变直接削弱了水分子间氢键强度，理论上应促进蒸发。

NaCl溶液中水分子结构分析
FTIR光谱观测到随着盐浓度增加，O-H伸缩振动峰（v(O-H)）发生红移，证实氢键网络被破坏。但出乎意料的是，MD模拟显示Na⁺-水分子结合能（-25.79 kcal·mol^-1）远高于水分子间相互作用能（-3.97 kcal·mol^-1），形成"水合-氢键竞争"效应。这种强相互作用导致18%的蒸发率下降，揭示了表观蒸发抑制现象的分子本质。

结论与意义
该研究阐明了Na⁺通过形成五配位水合簇调控SDIE性能的双重机制：一方面通过电子转移活化配位水分子，另一方面通过强结合能束缚水分子运动。这一发现突破了传统仅关注盐结晶堵塞的认知框架，为开发抗盐蒸发材料提供了新思路——未来可通过设计竞争性配位基团来削弱Na⁺-水相互作用。研究团队制备的三维蒸发器已成功应用于实际海水淡化，产出水质达到饮用水标准，验证了理论指导的实践价值。这项工作从分子尺度建立了盐浓度-水结构-蒸发效率的定量关系，为SDIE技术在海水淡化、工业废水处理等领域的优化应用奠定了理论基础。