水資源的匱乏正成為影響人類生產生活以及長遠發展的一個不可忽視的因素。海水淡化方興未艾，有著非常廣闊的前景。目前海水淡化主要方法為逆向滲透法和熱蒸發法。近期，美國聖母大學的羅騰飛團隊和Brandon Ashfeld團隊合作發現了離子溶液可以用作定向溶劑萃取脫鹽（directional solvent extraction desalination），存在著低能耗、低成本等方面的潛力。
溶劑萃取脫鹽的概念可以追溯到上世紀50年代，並在2010年代得到更新，成為“定向”溶劑萃取脫鹽。其原理是選取特定的溶劑，該溶劑需不溶於水，然而水可以溶解於其中，故稱為“定向”溶劑，同時該溶劑需保證鹽不能溶於其中。透過溫度變化，水在定向溶劑中的溶解度也會變化，定向溶劑從而完成對水的“裝卸”。之前定向溶劑的選取通常為中長鏈飽和脂肪酸，如辛酸、癸酸。但因為水在該類溶劑中的溶解度隨溫度變化並不顯著，從而使得此類定向溶劑“裝卸”水能力差，熱效率低，能耗偏高。聖母大學羅騰飛團隊和Ashfeld團隊將目光投向離子溶液，離子溶液易於設計結構，可以針對性根據需求進行分子結構調整，對於定向萃取這種近乎嚴苛的性質要求不失為一種新的探索路徑。科研團隊透過實驗驗證與數值模擬相結合的方式，發現了一種離子液體，在保證脫鹽率不下降的前提下（97.5%），淨化淡水獲取量可以達到之前定向溶劑的十倍。這使得定向溶劑萃取法即使是在小型化裝置上也可以在能源效率上可以超過熱蒸發方法，與成熟的逆向滲透法一較高下。另外，這一技術能夠利用低溫熱源（40-70 ℃），使得利用廢熱或太陽能脫鹽成為可能。更令人驚喜的是，該離子液體同時能對高濃度甚至飽和鹽水脫鹽，而高濃度鹽水的脫鹽一直是逆向滲透法和熱蒸發方法的弱項。
該研究不僅發現了有效的溶劑，更重要的是拓寬了溶劑選取的視野，從而使得定向溶劑萃取的實踐應用成為可能。
這一成果近期發表在Nature Communications 上，由聖母大學（University of Notre Dame du Lac）羅騰飛博士科研課題組和Brandon Ashfeld博士科研課題組合作完成
Ionic liquid enables highly efficient low temperature desalination by directional solvent extraction
Jiaji Guo, Zachary D. Tucker, Yu Wang, Brandon L. Ashfeld, Tengfei Luo
Nat. Commun., 2021, 12, 437, DOI: 10.1038/s41467-020-20706-y
通訊作者簡介
羅騰飛（Dr. Tengfei Luo），美國聖母大學（University of Notre Dame du Lac）航空與機械工程系（Aerospace and Mechanical Engineering）正教授。2009年於美國密歇根州立大學（Michigan State University） 取得博士學位，2009年至2011年在美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）從事博士後工作，2012年起就職於聖母大學。
羅騰飛教授的科研課題組專注於從分子層面以及奈米尺度探索能量和物質的傳遞，課題組採用了理論分析、計算模擬、實驗以及資料驅動等科研方法。
該課題組在定製熱效能工程材料， 電子器件的散熱控制，提升能源裝置效率，鹽水脫鹽的分子以及系統設計，高靈敏度生物感測，以及增材製造方向均有涉獵。
羅騰飛教授在相關領域發表論文100 多篇，包括以通訊作者發表的 Science Advances, Nature Communications, ACS Energy Letters 等。
Brandon Ashfeld博士, 聖母大學化學系副教授， 2004年於美國德克薩斯大學奧斯汀分校 (University of Texas at Austin) 獲得博士學位，2004年至2007年於美國斯坦福大學（Stanford University）工作，2007年起就職於聖母大學。
Ashfeld 博士的課題組致力於合成複雜自然界物質和人工設計物質中利用新方法實現傳統成鍵方式。該組以利用新方法從而實現腦癌的化學療法和設計可以減少二氧化碳排放的材料為目標。
https://www.x-mol.com/university/faculty/2921
科研思路分析
問：這項研究最初目的是什麼，或者說想法如何產生的？
答：如上所述，溶劑的選取是關鍵。我們之前嘗試了若干天然溶劑，包括了有機酸，醇，但是都不是很理想，當了解到離子液體的性質之後，這種陰陽例子可以分別“定製”的分子/離子結構的確從機率上存在著很大可能讓我們發現自己所需要找的物質。
問：研究過程中遇到哪些挑戰？
答：因為是跨專業合作，交叉學科的知識交流理解對雙方都是挑戰，比如工程學院的科研人員遇到了有機化學知識匱乏的情況。因為對溶劑性質要求多且高，所以縱使理論上可以合成的離子液體種類非常多，如何探索我們需要找到的離子液體，是一個比較艱難的過程。我們嘗試了很多種離子液體，最後也僅有一種可以稱為“合格”，一個微小的結構變動可能導致性質從一個極端跳到另一個極端，最後都歸於失敗。
此外例子液體要自己合成，所以所有的實驗都受限於有限的原料供應，對實驗的設計，過程控制都提出了不低的要求。
問：該成果可能有哪些重要的應用？
答：對於一些臨海乾旱或者結構性缺水的地區，如果之後可以設計一整套裝置來實現整個淨水過程，是非常值得期待的。而且可以小型化，可以利用低溫廢熱，都是該離子液體的巨大優勢。而且在我們找到一種“合格”的離子液體之後，我們可以期待有更多“良好”或者“優秀”的離子液體的存在，從而讓這方面的研究更進一步。