【原】一种MXene/MOF纳米流体膜，实现高效"蓝色能源"!

海水和河流之间的盐度梯度能源被称为“蓝色能源”，已被公认为一种清洁、丰富和可持续的能源，具有储量大、交通便利等优点。获得这种能量需要有效的能量转换技术。与其他能量方法相比，反向电渗析（RED）被认为是最有前途的方法，因为它具有渗透能可以直接转化为电能的优点。在RED系统中，盐度梯度驱动离子通过具有离子选择性的膜以产生电化学势。产生的电流和功率密度取决于膜的离子渗透性和选择性。近年来，纳米多孔膜纳米材料如氧化石墨烯、二硫化钼、氮化硼和仿生纳流体膜已经被应用于离子传输性能和盐度梯度能量收集。其中，新兴的二维过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）因其独特的亲水性、高表面电荷密度和小厚度，在离子渗透性方面表现出极大的能量转换优势。膜的离子渗透性和选择性对于纳流体行为至关重要。然而，对于2D材料来说，平衡渗透能量收集的这两个因素仍然是一个长期的挑战。

来自青岛科技大学和中国科学院理化技术研究所的学者报道了MXene/金属-有机骨架（MOF）杂化膜可实现高效的离子-渗透选择性纳流体体系，从而产生了高性能渗透动力发生器。在体系中，沸石咪唑酸盐骨架-8（ZIF-8）沉积到MXene表面，并通过电聚合方法嵌入MXene纳米片之间。ZIF-8层的埃级别窗口充当离子选择性过滤器，通过尺寸效应赋予膜高阳离子选择性。ZIF-8晶体的插层减小了MXene的间距，因此，不仅通过缩短通过膜的离子传输途径增强了离子渗透性，而且通过增加双电层的重叠效应进一步提高了选择性。在500倍盐度梯度下，最大功率密度高达48.05 W m⁻²，具有高渗透率（1263.3 A m⁻²），在50倍时获得0.906的高选择性。本研究提供了一种简单的方法来制备具有高离子渗透性和选择性的水连接能量转换的纳流体二维膜。相关文章以“Maximizing Ion Permselectivity in MXene/MOF Nanofluidic Membranes for High-Efficient Blue Energy Generation”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https:///10.1002/adfm.202209767

图1.MXene/ZIF-8杂化膜的合成方案及纳米结构表征.a） MXene膜的真空蒸发过程。b） 层状结构Ti3C2Tx膜示意图。c） MXene/ZIF-8杂化膜电化学聚合的实验装置。d） MXene/ZIF-8杂化膜示意图。e） MXene/ZIF-8杂化膜的横截面SEM图像显示：≈215nm厚的ZIF-8层在MXene衬底的顶部密集聚合。f） 对应的ZIF-8表面的SEM图像。h）纯MXene膜侧和混合膜MXene侧在衍射峰处的XRD图谱（002）。

图2.杂化膜表现出更好的选择性和更高的渗透性。a） MXene膜和MXene/ZIF-8杂化膜在0.01 M KCl中的I-V曲线。b）在500倍浓度梯度下，不同聚合时间的杂化膜电阻为1 kΩ时的电流密度。c） 不同浓度KCl溶液下MXene膜和杂化膜的离子电导率。d） MXene膜和MXene/ZIF-8杂化膜在不同NaCl浓度下500倍浓度梯度下的离子选择性（t_n）。e） 在10⁻³ M 氯化物盐溶液中测量的杂化膜的 I–V 曲线。f） 不同浓度不同氯化物盐溶液下杂化膜的离子电导率。

图3.超高渗透能量转换性能。a） 渗透能转换过程示意图。b）MXene/ZIF-8 杂化膜在 500 倍浓度梯度下不同聚合时间的功率密度。c） MXene/ZIF-8 杂化膜在一系列电解质种类下在 500 倍浓度梯度下的功率密度。d） 不同浓度梯度下NaCl溶液下MXene膜和MXene/ZIF-8杂化膜的V_OC。e） 不同浓度梯度下杂化膜的电流密度和f）功率密度。

图4.性能优于能量收集行为和渗透选择性的理论模拟。a） MXene/ZIF-8杂化膜在500倍浓度梯度下收集渗透能的稳定性。b） MXene/ZIF-8 杂化膜和最先进的膜在 500 倍浓度梯度下的功率密度和电流密度（电阻为 1 kΩ）。c） 基于不同距离（1.0、1.4 和 1.8 nm）的二维通道距离的阳离子 （C_p） 和阴离子 （C_n） 离子浓度的数值模拟。

综上所述，本研究采用快速电流驱动方法成功构建了具有特殊埃/纳米级通道的MXene/ZIF-8杂化膜，有效收集盐度梯度能量。ZIF-8的3.4 Å孔和MXene表面电荷的协同作用大大提高了杂化膜的阳离子选择性。此外，嵌入的ZIF-8晶体增强了MXene纳米片之间的相互作用力并减小了层间间距，从而实现了更快的离子传输和高离子渗透性。在500倍浓度梯度下，电阻为1 kΩ时，电流密度高达1263.3 A m⁻²，表现出较高的离子渗透率，在50倍浓度梯度下离子选择性达到0.906。MXene/ZIF-8杂化膜具有增强的离子渗透性和选择性，具有出色的渗透能量转换能力，在人工海水和河流混合时具有高达7.18 W m⁻²的高功率密度，在500倍浓度梯度下具有48.05 W m⁻²的高功率密度。数值模拟表明，由于EDL重叠效应的增加和离子传输途径的减少，小纳米通道大大提高了离子渗透性和选择性。本工作可能为快速构建具有高离子渗透性和选择性的二维杂化膜作为超高性能渗透能发生器创造新思路。（文：SSC）