基于浆膜结构的仿生纳米膜助力高效渗透能发电

从海水和淡水的盐度差中可获得的大量清洁可再生的渗透能。根据全球河流向海洋的总排水量计算，理论上可获得的总渗透能为1.4-2.6太瓦，相当于全球用电量的9-17%。这种丰富的“蓝色能源”来源可靠，且与太阳能和风能相比具有发电持续不间断的优势，对环境的影响微不足道。反向电渗析是收集这种渗透能的主要技术，利用反向电渗析产生的电力供应家庭和工业用电将显著降低对不可再生化石燃料的依赖。选择透过性膜是反向电渗析技术的核心组件，一个理想选择透过性膜应该兼具高选择性、高离子电导率以及足够的机械强度。开发高性能的选择透过性膜一直是研究者孜孜以求的目标。

最近，悉尼科技大学的汪国秀教授（点击查看介绍）、周栋博士（点击查看介绍）和中科院理化所江雷院士（点击查看介绍）等团队合作，仿生浆膜结构制备了四（1,4-二亚胺（2-苯磺酸））芘 (PyPa-SO₃H)/苯乙烯磺酸钠接枝芳纶纳米纤维 (SANF) 复合膜并将其成功应用于渗透能发电。该复合膜具有高的阳离子选择透过性和丰富的一维/二维纳米流体通道，可协同实现超快的离子迁移动力学。当用于从天然海水和河水界面收集渗透能时，该PyPa-SO₃H/SANF复合膜可实现9.6 W m^-2的高输出功率密度和低接触阻抗；功率密度远远优于常用的离子交换膜(<2.2 W m^-2)，几乎是商业化标准 (5 W m^-2) 的两倍。进而作者通过第一性原理理论计算和分子动力学模拟对PyPa-SO₃H/SANF复合膜的离子传输微观机制进行了深入解析。

图1. PyPa-SO₃H/SANF复合膜。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

浆膜结构广泛存在于生物体中，其包裹着许多特定的组织器官（例如心脏、肾脏、大脑、眼球等），保护它们免受机械应力挤压破坏、寄生物的侵入和有害化学物质的扩散。这些浆膜中存在丰富的离子泵，为离子选择性扩散提供大量通路。同时，浆膜中的胶原纤维增强了细胞的强度，有助于保持结构其完整性。作者使用PyPa-SO₃H二维共价有机框架（COF）模拟离子泵，采用光接枝的SANF模拟胶原纤维，将二者复合制备出仿生的PyPa-SO₃H/SANF薄膜。将标准人工海水（0.5 M NaCl）和河水（0.01 M NaCl）填充到H型电解池的两侧，通过改变外加电阻（R_L）记录电流密度（I_osmosis）。当负载为5 kΩ时，PyPa-SO₃H/SANF输出功率最大，可达到8.7 W m^-2，明显高于其他未经磺酸化的膜的性能。为了模拟实际应用情况，实测PyPa-SO₃H/SANF在天然海水和河水之间的界面处可获得9.6 W m^-2的最大功率密度，性能超越了大多数报道的宏观尺寸的纳流反向电渗析膜。

图2. 渗透能转化性能。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

这一成果近期发表在Journal of the American Chemistry Society 上，文章的第一作者为悉尼科技大学博士生满增明和Javad Safaei。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Serosa-Mimetic Nanoarchitecture Membranes for Highly Efficient Osmotic Energy Generation

Zengming Man⊥, Javad Safaei⊥, Zhen Zhang, Yizhou Wang, Dong Zhou*, Peng Li, Xiaogang Zhang, Lei Jiang* and Guoxiu Wang*

J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 16206–16216, DOI: 10.1021/jacs.1c07392

通讯作者简介

汪国秀教授：澳大利亚悉尼科技大学（UTS）杰出教授，清洁能源技术中心（CCET）主任。材料化学，电化学，能量存储和转换以及电池技术领域专家。目前担任《Electrochemical Energy Review》（Springer-Nature）的副编辑，以及《Scientific Reports》（Nature Publishing Group）和《Energy Storage Materials》（Elsevier）的编委会成员。研究领域包括锂离子电池，锂空气电池，钠离子电池，锂硫电池，超级电容器，储氢材料，燃料电池，2D材料（例如石墨烯和MXene）以及用于制氢的电催化。目前已发表520余篇期刊论文，总被引50000余次，h指数为125。于2018年与2019年被Web of Science / Clarivate Analytics评选为材料科学领域高被引学者，并于2018年被评选为化学领域高被引学者。

https://www.x-mol.com/university/faculty/50227 

江雷院士：中科院理化所研究员，中国科学院院士，第三世界科学院院士，美国工程院外籍院士。研究方向集中于超浸润界面体系，并将其应用于能量转换、化学反应和生物信息传递等领域。在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Chemical Society Review等国际顶级期刊已发表高水平SCI文章400余篇。所发表论文被SCI他引18500次以上，H-index为175。2013年获何梁何利基金科学与技术成就奖，2014年获中国科学院杰出成就奖（个人）和美国材料学会Mid-Career Researcher Award奖。

https://www.x-mol.com/university/faculty/15473 

周栋博士：2017年博士毕业于清华大学，师从康飞宇教授。其后加入澳大利亚悉尼科技大学清洁能源技术中心从事博士后研究，现为日本东京大学理学院项目研究员。研究方向主要为新型二次电池的电解质研究及界面行为分析。目前以第一/通讯作者在Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Chem, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Lett., ACS Energy Lett.等期刊发表论文30余篇，总被引3300余次。日本JSPS Fellow、澳大利亚DECRA Fellow。2020年获得广东省自然科学一等奖。

https://www.x-mol.com/university/faculty/106799