淡水和海水之間的離子梯度被認為是一種很有前途的可再生能源，也被稱為藍色滲透能或鹽度梯度能。在過去的幾十年裡，膜基反電滲析技術已經發展成為一種主要的技術來捕捉這種世界範圍內的能量。然而，目前的反電滲析技術普遍存在效率低下的問題，這主要是由於目前使用的離子交換膜性能較差，阻礙了其在實際中的應用。經過數百萬年的進化，生物已經發展出許多利用離子梯度發電的優化系統。例如，電鰻能夠利用成千上萬個密集的、高選擇性的、整流的離子通道，完成離子濃度梯度在細胞膜上的轉換，釋放高達600v的動作電位。通過將生物系統的靈感與納米流體學的最新進展相結合，生物啟發的納米流體通道在獲取這種“藍色”能量方面顯示出巨大的潛力。在這方面，由兩種單層多孔膜雜交構建的新型生物啟發型納米流體非均質膜具有前所未有的優越性。兩層膜間的協同效應具有固有的不對稱結構、電荷和潤溼性，有助於離子二極管效應等離子輸運特性的發展。在能量轉換過程中，這種非線性的納米流體行為允許單向的離子傳輸，因此可以阻止任何電流回流到膜中，極大地降低了作為焦耳熱耗散的吉布斯自由能，最終增強了發電能力。在過去的幾年中，已經構建了包括有機/有機、無機/無機、有機/無機雜化體系在內的多種非均質膜。然而，所報道的系統普遍存在界面離子傳輸效率相對較低的問題。由於孔隙排列不匹配，不同尺度的通道間耦合不恰當，導致功率密度在經濟上不可行。界面輸運不足一直是制約高功率非均質膜發展的主要障礙。基於此，
中科院理化所江雷、聞利平團隊首次使用三維水凝膠界面實現了高性能的滲透能量轉換，該工作以題目為“Improved osmotic energy conversion in heterogeneous membrane boosted by three-dimensional hydrogel interface”發表在《Nature communications》上。文中採用順序葉片鑄造法，製備了由一層功能聚電解質水凝膠膜和一層多孔芳綸納米纖維（ANF）支撐膜組成的有機非均相膜。固有的靜電、化學和結構上的不對稱性使得系統具有穩定的離子二極管效應，極大地促進了陽離子從納米纖維層向水凝膠層的傳輸。此外，水凝膠膜可以為離子擴散提供一個廣泛充電的三維網絡，從而可以大大提高界面傳輸效率，這為鹽度梯度發電提供了依據。當混合天然海水和河水時，輸出功率可以達到一個非常高的值5.06 W m−2，據我們所知超過了最先進的膜。本項工作說明聚電解質凝膠作為高性能界面材料在設計非均質膜基滲透發電機方面具有巨大潛力。 圖1. 三維水凝膠界面，傳輸效率更高
【圖文解析】
圖2. a ANF膜的表面SEM圖像（比例尺：300 nm）。插圖顯示了ANF的TEM圖像（比例尺：250 nm）。b通過SEM圖像的數據統計獲得的ANF膜的孔徑分佈（灰線代表高斯擬合）。c ANF /凝膠異質膜的橫截面照片（比例尺：100μm）。d具有不對稱結構和電荷分佈的混合膜的2D截面圖。e ANF膜和聚電解質凝膠的接觸角測量
解析：非均質膜是通過將聚電解質水凝膠膜與ANF膜雜交而製得的。所製備的
ANF膜由許多納米纖維交織，並且由堆疊的相鄰納米纖維形成的間隙構成離子傳輸孔（圖2a）。統計分析表明，孔的平均尺寸為12 nm，與組成納米纖維的數量級相同（圖2b）。要製造混合膜，需通過順序葉片澆鑄方法將熱瓊脂糖/聚電解質（聚（4-苯乙烯磺酸鈉），PSS）溶液塗覆到ANF膜上，然後在環境溫度下冷卻，以形成均勻的聚電解質塗層厚度範圍從幾十到幾百微米的凝膠層。如橫截面顯微圖像（圖2c）所示，凝膠層的厚度比ANF膜的厚度（2μm）大得多。ANF膜是親水性的並展現出納米尺寸的孔尺寸。凝膠基質具有超親水性，可以提供更寬的3D離子傳輸路徑（圖2e）。
圖3. a滲透能轉換過程示意圖。b在向前和向後NaCl濃度梯度下，雜化膜的I–V曲線。c在正向濃度梯度下，外部負載上的發電。插圖：使用電阻測量滲透壓的實驗裝置的示意圖。d比較混合0.5M / 0.01M NaCl時單獨的ANF膜，凝膠膜和異質膜的功率密度。e，f聚電解質水凝膠膜的厚度（e）和聚電解質含量（f）對功率密度的影響。濃度梯度為0.5 M / 0.01 M NaCl。g增加聚電解質劑量後，主要擴散方向回覆的示意圖。h在一系列電解質種類下發電。i在一系列鹹水，淡化鹽水，採礦活動產生的鹽水以及鹽湖產生的水等一系列人造水資源下發電。誤差棒代表SD（n = 3）。
解析：為了評估滲透能轉換性能，在非均質膜上施加了人工海水（0.5 M NaCl）和河水（0.01 M NaCl）。由於凝膠和ANF膜均在測試溶液中帶負電，因此濃度梯度將導致陽離子（即Na +）穿過混合膜的淨流動，從而產生擴散電勢和擴散電流。提取的電能還可以用於在外部電路中提供負載電阻。電流密度隨著外部電阻的增加而降低，在中間電阻約為23kΩ時，輸出功率密度達到最大值3.9 W m-2，ANF和凝膠膜均顯示出較低的功率輸出，約為2 W m-2，並且與濃度梯度的方向無關。在中間厚度約為210μm時，功率輸出達到最大值。我們還注意到，隨著改變聚電解質的劑量，主要的擴散方向將反轉。分別測試了具有各種電解質的異質膜的能量轉換行為。例如，用人造鹹水（12 g L-1），淡化鹽水（75 g L-1），採礦廢水（175 g L-1）和鹽湖水（250 g L-1）代替人造海水，
功率密度分別為1.9、4.3、6.6和8.1 W m-2。
圖4. a 當我們將真實的海水與河流混合時，功率密度可以達到4.97 W m − 2。數據統計表明平均功率密度為5.06±0.33 W m − 2。 b在不補充電解液的情況下，相應的擴散電流在一小時內僅下降0.24％，這表明異質膜可以有效地穩定局部濃度梯度並促進連續滲透能轉換。c將滲透能量轉換性能與基於相同測試區域的報道的宏觀多孔納米流體膜進行比較。
【總結】
綜上所述，通過將帶電的聚電解質水凝膠塗覆在ANF膜上，可以實現高效的滲透能轉換。由於雜化膜固有的多能級不對稱性和具有寬電荷三維網絡的聚電解質凝膠可以作為離子擴散促進劑，大大提高界面傳輸效率，產生了5.06 W m−2的高功率密度。此外，由於聚電解質水凝膠膜的功能具有良好的可調性，因此可以系統地瞭解可控離子擴散機制及其對膜整體性能的影響。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14674-6
添加主編為好友（微信號：polymer-xiang，請備註：名字-單位-職稱-研究方向），邀請您加入學術圈、企業界、碩博聯盟、北美、歐洲、塑料、橡塑彈性體、纖維、塗層黏合劑、油墨、凝膠、生物醫用高分子、高分子合成、膜材料、石墨烯、納米材料、表徵技術、車用高分子、發泡、聚酰亞胺、抗菌、仿生、腫瘤治療等一系列技術交流群。同時可以在菜單中“”，獲取群目錄。
閱讀更多 高分子科學前沿 的文章
