 鉴于全球能源危机和环境污染，寻求清洁、可再生和可持续的能源已成为迫切需要。来自不同离子浓度水的盐度梯度能量被认为是替代化石燃料的潜在新能源，有望缓解能源短缺和环境污染等全球性问题。目前，利用反向电渗析 (RED) 技术是实现获取该类能源的直接方式。特别是具有纳米级通道的纳米流体系统，因其在控制水溶液中离子和分子传输方面的优势而引起了广泛的兴趣。因此，在过去几年中，基于膜的 RED 纳米流体系统已被广泛构建以获取盐度梯度能量。然而，渗透率和选择性之间的不平衡限制了它们的实际应用。 复旦大学孔彪研究员和理化所江雷院士、闻利平教授等人合作提出了一种新的介孔碳-二氧化硅/阳极氧化铝 (MCS/AAO) 纳米流体装置，该装置具有增强的渗透选择性，最大功率密度达到 5.04 W/m2，可通过调节温度和 pH 值来获得更高的性能。作者进一步通过理论计算揭示了离子整流、离子选择性和能量转换的机制。结果表明，MCS/AAO复合膜在类二极管离子传输、温度和pH调控的盐度梯度能量转换方面具有很大的优势。该研究以题为“Interfacial Super-Assembly of Ordered Mesoporous Carbon-Silica/AAO Hybrid Membrane with Enhanced Permselectivity for Temperature- and pH-Regulated Smart Ion Transport”的论文发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。 【MCS/AAO膜的制备与离子传输】 MCS/AAO复合膜是通过简单的界面超组装策略构建的（图1）。作者先通过旋涂法将MCS前体溶液涂覆在AAO表面上，在蒸发诱导自组装后，酚醛树脂（碳前体）和原硅酸四乙酯（二氧化硅前体）与F127胶束共同组装，形成规则的通道。最后在400℃下煅烧以去除F127模板，获得具有丰富纳米通道的 MCS/AAO 复合膜。由于有序的纳米通道结构和不对称的表面电荷分布，MCS/AAO 复合膜展现出出色的类二极管离子传输性能和优异的阳离子选择性。如离子传输模型图所示（图2），当阳极放置在MCS侧时，电场方向从MCS侧到AAO侧，正向电流主要归因于K+（图2g）。相反，当阳极放置在AAO侧时，电场方向从AAO侧到MCS侧，电流由Cl-贡献（图2h）。作者还进行了一系列验证实验，结果都表明MCS/AAO杂化膜具有优异的阳离子选择性。 图1 MCS/AAO复合膜的制造过程示意图 图2 MCS/AAO复合膜的离子传输性能 【MCS/AAO复合膜的盐度梯度能量转换】 为了研究MCS/AAO复合膜的盐度梯度能量转换，作者将MCS/AAO安装在一个两室电化学电池中，两个隔室充满了不同浓度的KCl或NaCl电解质溶液（图3a）。MCS/AAO复合膜可以借助电极表面的电化学氧化还原反应来收集天然海水和河水中存在的盐度梯度能量，捕获的电力也可以传输到外部电路以向电负载电阻器供电。该MCS/AAO复合膜可以获得5.04 W/m2的最高功率密度（图3d），已达到5 W/m2的商业标准。此外，该MCS/AAO复合膜可以实现连续的盐度梯度能量收集，在没有补充电解质的情况下，短路电流在40分钟内仅表现出6.27%的衰减。其电流密度和功率密度都能随着浓度梯度的增加而增加，表明MCS/AAO复合膜在盐度梯度能量转换方面具有巨大潜力。 图3 MCS/AAO复合膜的盐度梯度能量转换 【温度和 pH 调控的离子传输】 基于MCS/AAO复合膜的热稳定性和pH调控的表面电荷，作者研究了膜对热和pH的依赖性关系。随着温度的升高，液体的粘度降低，离子迁移率增加（图4a），电导随之增加（图4b），显示出增强的离子传输行为。当温度从298 K增加到328K时，MCS/AAO复合膜的功率密度也从5.04 W/m2增加到5.99 W/m2（图4c）。然而，当温度达到333 K时，电导和功率密度反而降低，这可能是由于MCS侧疏水区产生的气泡阻碍了离子传输。此外，MCS/AAO复合膜的电流密度和功率密度也随着pH值的增加而增加，当pH值为11.02时，功率密度可达8.60 W/m2。因此，MCS/AAO复合膜在较宽的pH和温度范围内仍能保持优异的离子选择性和能量转换能力，表现出温度和pH调控的智能离子传输。 图4 MCS/AAO 复合膜的温度和 pH 调控离子传输 总结：作者通过界面超级组装策略成功设计了一种高性能基于MCS/AAO复合膜的发电装置。受益于增强的阳离子选择性渗透，MCS/AAO复合膜表现出高性能的盐度梯度能量转换，功率密度可达 5.04 W/m2，还可通过调节温度和pH进行智能离子传输。此外，MCS/AAO复合膜可以进一步改进，以用于海水淡化、液流电池和传感器等多个领域。 原文链接： https://onlinelibrary./doi/10.1002/anie.202110731 本文 本文来源：高分子科学前沿 |
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