引入带空间电荷的水凝胶明显改善了离子选择性。另外，基于水凝胶杂化膜的发电装置显示出优异的能量转换性能。在500倍的盐度梯度下，可实现高达11.72 W/m2的最大功率密度。此外，该膜显示出优异的机械性能。这些值是可以实现的，这表明该膜在渗透能转换中的巨大潜力。相关论文以题为Improved Ion Transport in Hydrogel-Based Nanofluidics for Osmotic Energy Conversion发表在《ACS Central Science》上。 【主图导读】图1.基于水凝胶混合膜的渗透压发电器的示意图。（a）得益于空间电荷的水凝胶杂化膜的优异阳离子选择性的示意图。如图所示的渗透发电机可以将盐度梯度转换为电能。（b）水凝胶杂化膜的制造过程。（i）将前体溶液倒在PC膜上。（ii）前体溶液充满了通道的空间。（iii）多余的溶液被移除。（iv）通过UV辐射制备水凝胶。（c）水凝胶杂化膜的优异机械性能。图2.水凝胶杂化膜的离子传输特性。（a）15％AAc / m膜的离子电导率与浓度的关系，显示出受电荷控制的离子传输。（b）罗丹明6G（Rh（+），方形符号）和磺基罗丹明（Rh（-），圆形符号）的渗透率曲线，表明15％AAc/m膜具有出色的阳离子选择性。（c）两种模型的阴离子浓度曲线的模拟结果表明，带空间电荷的通道离子选择性提高。图3.使用水凝胶杂化膜可显着改善渗透能转换。（a）盐度梯度为50倍时，PC膜和15％AAc/m膜的开路电压和短路电流。插图是他们的统计数据。（b）盐度梯度为50倍时PC和15％AAc/m膜的电流密度和功率密度。（c）统计功率密度随AAc含量的增加而增加。（d）表面带电纳米通道和空间带电纳米通道的计算输出功率。图4水凝胶混合膜的机械性能。（a）水凝胶杂化膜（15％AAc/m），PC膜和纯水凝胶的拉伸应力。（b）膜的统计拉伸应力。（c）撕裂力曲线为15％AAc/m，PC膜和纯水凝胶。（d）计算的膜的韧性。（e）15％AAc/m膜在杂交前后的横截面SEM图像（i）；比例尺为500 nm。强界面由水凝胶和通道之间的氢键形成。图5.水凝胶杂化膜的耐久性。（a）该方案说明了摩擦试验。（b）水凝胶混合膜（15％AAc/m膜）的磨损曲线。100次循环后，摩擦力保持在较低的范围内。【结论】总之，在实验和理论上都揭示了一维水凝胶的离子迁移和反向电渗析。得益于水凝胶的空间负电荷及其独特的离子传输网络结构，该水凝胶杂化膜表现出优异的阳离子选择性，并且基于水凝胶杂化膜的渗透发电器在渗透能转换方面优于普通的。通过混合人工海水和河水，功率密度高达4.08 W/m2，在500倍盐度梯度下的最大功率密度为11.72 W/m2。水凝胶杂化膜还表现出优异的机械性能，有助于保持高性能。此外，杂化膜的超疏油性和低油粘附力可防止其因生物污染而失效。这项工作为设计渗透动力发电和其他传质过程（包括脱盐和水净化）中的高性能膜系统提供了指导。TOC参考文献：doi.org/10.1021/acscentsci.0c01054版权声明：「高分子材料科学」是由专业博士（后）创办的公众号，旨在分享学习交流高分子聚合物材料学等领域的研究进展。上述仅代表作者个人观点。如有侵权或引文不当请联系作者修正。商业转载或投稿请后台联系编辑。感谢各位关注！【经典回顾】【1】UCL《先进材料`综述》从实验室研究到商业化的柔性锌离子水凝胶电池见解【2】2020年Nature/Science气凝胶回顾展：世界上最轻的固体材料【3】《Nature Sustain.》耶鲁姚媛/马里兰胡良兵:坚固，回收，降解的木质纤维素生物塑料 【4】浙江大学吴子良《先进材料》香豆素光交联水凝胶可重构梯度结构和可重编程3D变形
2021年5月6日 14:50
