隨着人類社會的持續發展，全球能源需求不斷的增加，在不破壞環境的前提下為人類社會創造可持續的能源未來愈發變得重要。作為一種從鹽度梯度中獲取電能的技術，滲透能轉化得益於環境友好，儲量巨大和易於獲取等優點已經成功地引起了大量研究人員的關注。其中，以二維納米材料為代表的一類薄膜材料，藉助簡單的真空抽濾，能夠通過薄片與薄片的緊密堆積形成亞納米尺度的有序孔道。這些孔道能夠在滲透能捕獲領域中大放異彩。然而，受限於形成孔道的本徵尺寸較小，製備獲得的膜材料在鹽度梯度下往往以犧牲良好的離子滲透性來保證較高的離子選擇性，不可避免的導致高性能滲透能捕獲受限。
基於上述背景，來自Institute for Frontier Materials（IFM），Deakin University的LEI Weiwei 教授團隊採用模板法製備了具有高電荷分布孔道的二維納米薄膜材料。在人造海水和人造淡水濃度梯度下，該體系表現出接近 5 W m-2的最大輸出功率密度，遠遠高於原始薄膜的性能。與此同時，該膜具有優異的水穩定性和化學穩定性，在長循環條件下，表現出良好的離子透過性和離子選擇性。更重要的是，通過嘗試不同的電解質來源，該體系的最大輸出功率密度可以達到~34 W m-2。該團隊將薄膜表現出的高性能滲透能捕獲歸結於引入了具有負電官能團的聚合物電解質溶液以及擴展的納米孔道的協同作用。其中，前者能夠與毗鄰的納米薄片形成雙電層的重疊保證離子選擇性，而後者又在一定程度上促進了離子的滲透性。
總而言之，該研究不僅開發了一種高性能滲透能捕獲的二微納米材料薄膜材料，更為用於其他離子分離相關領域的薄膜設計提供了新思路。
論文信息
Two-Dimensional Membranes with Highly Charged Nanochannels for Osmotic Energy Conversion
Yijun Qian, Dr. Dan Liu, Guoliang Yang, Jinqiu Chen, Yuxi Ma, Dr. Lifeng Wang, Prof. Xungai Wang, Prof. Weiwei Lei
ChemSusChem
DOI:10.1002/cssc.202200933
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