小缺陷，大作用 | JACS最新文章：缺陷工程助力高性能渗透势能发电

从海水和淡水之间的盐度差异中可获取大量吉布斯自由能，通过将其转换为电能可实现持续的能量清洁转化。对这种能源的利用可以产生1 TW的巨大能量，明显高于全球风能和太阳能的发电量（分别为～730和710 GW）。反向电渗析是渗透势发电的主要技术，其核心是制备性能可靠且兼具高离子选择透过性的薄膜。目前，二维材料已被广泛用于开发反向电渗析技术的离子选择透过性膜。二维纳米片通过相互堆叠形成丰富的纳米流体通道网络，从而大大降低离子的传输阻抗，促进离子的跨膜输运。然而，现有的二维纳米流体膜的输出功率密度普遍低于7 W m^–2。这主要是由于不充分的选择透过性所造成的吉布斯自由能损失。已有工作证明施加聚合物表面涂层、引入表面功能基团以及改变相结构等手段可以调整二维纳米片的表面电荷，从而有效提高二维纳米流体膜的离子选择性。然而，聚合物涂层不可避免地牺牲了离子的跨膜输运动力学，而二维材料的表面功能化和相结构修饰处理过程的复杂性大大地限制了它们的应用；同时，处理后的纳米片在水中的长效稳定性也难以保证。到目前为止，仍然缺乏有效的策略来调整二维材料的表面电荷以实现高性能渗透势能发电膜的制备。

针对上述问题，近日悉尼科技大学汪国秀教授、中科院理化所江雷院士、清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授、周栋助理教授等团队联合，首次证明在二维纳米片上引入原子级空位缺陷可以有效增强薄膜的表面电荷，从而实现高效渗透势能发电。在50倍的NaCl梯度下，引入空位后的NbOPO₄（V-NbP）膜的最大输出功率密度为～9.7 W m^–2，比原始NbOPO₄（NbP）膜高～300%。当天然河水和海水混合时，V-NbP膜的最大输出功率密度高达 10.7 W m^–2，远远超过了目前大面积二维纳米流体膜的平均水平（<7 W m^–2），并且是商业基准（5 W m^–2）的两倍多。HADDF-STEM图像、原子结构模型和ICP-MS共同表明V-NbP纳米片表面存在大量的P原子空位缺陷，而Nb和O原子则被保留下来。此外，V-NbP的zeta电位显著大于NbP，证明空位的引入可以有效地增强V-NbP的表面电荷。不同浓度梯度下的电导曲线表明V-NbP和NbP薄膜存在表面电荷主导的离子输运行为，且V-NbP的表面电荷显著大于NbP。阴离子染料的选择透过性实验将V-NbP薄膜的离子选择性能进一步可视化。与商业化的Celgard隔膜相比，在V-NbP薄膜中甲基橙阴离子的跨膜穿梭几乎无法进行，而Na⁺却可自由移动。稳定性测试表明V-NbP薄膜在连续工作60 h后的电流密度衰减可以忽略不计，且该薄膜在水中浸泡90天后，其输出功率密度亦无明显变化。串联实验表明，只需20个V-NbP薄膜即可输出～2.3 V的电压，足以点亮LED灯泡。密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟以及实验数据显示，空位缺陷的引入大大增强了磷酸铌（NbP）二维纳米片的表面电荷，从而促进了纳米片对电解液中载流阳离子的亲和力。这项工作强调了二维材料的原子空位缺陷工程与离子通量/离子输运动力学之间在纳米尺度上的相关性，为提高渗透势能转换效率提供了新途径，并有望推广应用于水科学和二维材料科学和可持续能源电化学。

图1. V-NbP薄膜的结构表征

图2. 离子的跨膜输运性能

图3. 渗透势发电性能

这一成果近期发表在国际顶级期Journal of the American Chemical Society 上，文章共同第一作者为悉尼科技大学博士生Javad Safaei和清华深圳国际研究生院大学硕士生高祎甫。

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Vacancy Engineering for High-Efficiency Nanofluidic Osmotic Energy Generation

Javad Safaei, Yifu Gao, Mostafa Hosseinpour, Xiuyun Zhang, Yi Sun, Xiao Tang, Zhijia Zhang, Shijian Wang, Xin Guo, Yao Wang, Zhen Chen, Dong Zhou*, Feiyu Kang*, Lei Jiang*, and Guoxiu Wang*

J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.2c12936

研究团队简介

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650余篇期刊论文，总被引66000余次，h指数为140。于2018年- 2022年被Web of Science / Clarivate Analytics评选为材料科学领域高被引学者，并于2018和2022年被评选为化学领域高被引学者。

江雷院士：中国科学院理化技术研究所研究员。2009年当选中国科学院院士；2012年当选为第三世界科学院院士；2016年当选美国工程院外籍院士。主要学术贡献为通过学习自然，建立了超浸润界面材料及超浸润界面化学体系，引领并推动了该领域在全球的发展，成功实现了多项成果的技术转化。迄今已在Nature, Nature Nanotech.、Nature Mater.、Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等期刊上发表800余篇论文，总被引153000余次，H因子为184。主要获奖包括：2011年获得第三世界科学院化学奖；2013年获得何梁何利科学技术奖；2014年度中国科学院杰出科技成就奖；2014年获得美国材料学会奖励；2016年获联合国教科文组织纳米科技贡献奖；2016年获得日经亚洲奖；2017年德国洪堡研究奖；2018年获得求是杰出科学家奖和Nano Research Award；2020年获得ACS Nano Lectureship Award。

康飞宇教授：清华大学深圳国际研究生院教授、博士生导师。入选“广东特支计划”和深圳市杰出人才，2018-2021年连续入选科睿唯安“全球高被引科学家”，以第一完成人获国家技术发明二等奖、教育部自然科学一等奖、广东省自然科学一等奖和中国建材学会技术发明一等奖，并获深圳市长奖和广东省丁颖科技奖。作为材料科学与技术专家，在储能用碳材料和先进电池方面取得系统性创新成果。2012年发现并阐明了锌离子可逆电化学反应机制，建立了多价离子存储理论（Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 933），有力地推进了水系二次电池的产业化进程。作为首席科学家主持了国家重大科学研究计划项目和多项国家自然科学基金重点项目、科技部863项目和科技攻关计划。迄今发表SCI论文450余篇，他引35000余次，60篇曾入选ESI高被引论文，H因子108，合著中英文著作8部，授权发明专利160件（包括美日韩专利12件），31件实现技术转移和应用。

周栋助理教授：清华大学深圳国际研究生院助理教授、博士生导师。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.等期刊发表论文30余篇，总被引五千余次。入选日本JSPS Fellow、澳大利亚DECRA Fellow。2020年获得广东省自然科学一等奖，2021年当选国家高层次青年人才。欢迎优秀研究生和博士后加入课题组从事科学研究。