北航《Science》子刊:超高渗透能量转换的蘑菇状纳米通道阵列膜!




























































































































































































































































































































































































































































































































































渗透能是一种大规模的清洁能源,可以通过离子选择膜,直接转化为电能。遗憾的是,以前报道的膜,都不能满足超高功率密度、优异的机械稳定性和大规模制造的所有关键要求。


在此,来自北京航空航天大学的高龙成等研究者,研究了一种具有超薄选择层和超高孔隙密度的大规模、健壮的蘑菇状纳米通道阵列膜,在500倍的盐度梯度下产生的功率密度高达22.4 W·m−2,是大型膜中是最高的。相关论文以题为“Large-scale, robust mushroom-shaped nanochannel array membrane for ultrahigh osmotic energy conversion”发表在Science Advances上。


论文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/7/21/eabg2183


海水和河水之间的渗透能,是一种大规模的可再生、可持续的能源,通过反向电渗析(RED)可直接转化为电能。在RED系统中,离子选择性输运膜是最重要的部分之一。然而,传统的薄膜,由于其高电阻而表现出较差的功率密度。为了提高能量转换能力,人们已经开发了两种典型的方法。第一个是纳米孔,单纳米孔的存在降低了膜的厚度,表明其具有超高的功率密度。不断努力发展成高孔密度的多孔膜,但关键的力学问题仍未解决。另一种方法是生物激发纳米通道膜(BNMs),它们是由两层分离膜物理结合而成,分别起着选择层和支撑层的作用。通过增加有效孔密度和减小膜厚度,可实现高输出功率密度。


然而,薄膜(特别是选择性层)的厚度最小化,受到了力学问题的限制(通常是在数百纳米甚至更大的尺度上)。另一方面,纳米通道密度的最大化受到不同直径,和周期尺寸(通常在106到1010cm−2之间)纳米通道之间不匹配的限制。由于力学失效的原因,进一步增加纳米通道的密度是有限的。以前的报道中,没有一种薄膜能够满足超高功率密度、优异的机械稳定性和大规模制造的所有关键要求。


在自然界中,电鳗可以产生高达600 V的动作电位,这是由于它们体内堆积了大量的电细胞。在电细胞中存在着密集排列的离子通道,它们在化学上和几何上都不对称。以Cl-通道为例,氨基酸中的酰胺氮原子聚集在一起,形成一个极短的长度约为1.2 nm的静电有利的窄通道,作为Cl-离子选择过滤器。通道的其余部分较宽,带有由谷氨酸侧链的羧酸基提供的负电荷。非对称离子通道,表现为单向离子传输,可以类比为半导体二极管。短二极管的扩散电流,比长二极管高得多。同样,Cl通道中极薄的选择性过滤器,有助于离子快速扩散,这是高功率密度的关键因素。


在这里,研究者展示了一种,具有超薄选择性层的超高密度蘑菇状纳米通道阵列膜。该纳米通道由两部分组成:茎部是由嵌段共聚物(BCP)自组装而成的带负电荷的一维(1D)纳米通道阵列,密度为~1011 cm−2;帽部是由单分子层超支化聚乙烯亚胺(h-PEI)形成的带正电荷的三维(3D)通道网络,相当于每个茎有几十个1D纳米通道。选择层中纳米孔的总表面积密度,可达~1012 cm−2。超高密度的离子通道具有单向离子输运和优异的离子选择性,从而实现高性能的能量转换。在500倍盐梯度下,输出功率密度最高,可达22.4 W·m−2


图1 用于渗透发电的纳米通道阵列膜。


图2 超高密度蘑菇状纳米通道阵列膜。


图3 纳米通道阵列膜的离子输运调控。


图4 超高渗透能转换。


综上所述,研究者制备了一种超高密度的蘑菇状纳米通道阵列膜,在盐度梯度为500倍时,其功率密度可达22.4 W·m−2,在盐度梯度为1000倍时,其功率密度甚至更高,为33.2 W·m−2。超高密度的离子通道,具有单向离子输运和优异的离子选择性,从而实现高性能的能量转换。此外,膜制造的受控过程,为工业化生产提供了一种很有前途的方法。这项研究,为开发下一代不对称纳米孔膜,迈出了重要的一步,并为大规模渗透能量转换开辟了广阔的前景。(文:水生)


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