【原】Nat. Commun. | 单根双壁碳纳米管的渗透输运增强，为超快传输和大功率发电带来希望！

DT_Carbontech 2023-04-25 发布于浙江

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碳纳米材料的流体传输已经揭示了一些奇特的行为，包括快速渗透，高度非线性离子传输，甚至对带电物质的意外筛分特性。所有这些结果都源于流体和水分子的复杂相互作用，以及固体碳表面溶液中的电荷。自碳纳米流体时代(研究碳界面流体性质的科学领域)开始以来，碳纳米管(CNTs)一直是研究的热点：与基于经典流体力学的预测相比，水在这些理想的一维材料中几乎无摩擦地流动，渗透率提高。这种通过碳纳米管的快速传输的结果是，当施加不同的作用力时，带电物质的非线性离子传输，以令人惊讶的二次依赖形式出现在压力驱动的离子传输中，让人想起在生物离子通道中观察到的情况。这些结果指出了流体-固体相互作用的经典描述的局限性，这种描述是基于固体作为作用于流体分子的静态周期势的图像，以及由于表面粗糙度上的碰撞而产生的相互作用，因为粗糙度尺度上诱导的流动会耗散机械能。这一证据推动了先进理论合理化的发展，明确考虑了现有的液体输运与封闭壁内电子自由度的耦合。

尽管对离子和电荷在单个CNT之间的传输进行了广泛的研究，但对碳纳米管在渗透强迫作用下的响应以及预期的水-固界面超低摩擦对盐梯度产生的传输的影响知之甚少。考虑到在其他纳米限制系统(如h-BN纳米管和活性炭纳米管)中观察到的盐度梯度能量转换和存储的潜在影响，这一点尤其令人惊讶。

基于此，清华大学马明课题组近日报道了离子在内部半径为2.3 nm、长度为100 μm的单个双壁碳纳米管(DWCNT)之间的传递。研究发现在盐度梯度下，KCl、NaCl和LiCl溶液的传输具有巨大的功率密度(高达22.5 kW/m²)。基于离子通过带电表面和滑动表面的最新理论框架，通过额外的动力学实验，作者表明，在滑移长度达几微米的水-固界面上的超低摩擦是非凡的能量性能的原因。研究成果以“Enhanced osmotic transport in individual double-walled carbon nanotube”为题发表在 Nature Communications 上。

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图1. 单碳纳米管纳米流体装置及测量装置

图2. 单个碳纳米管的表征

图3. 盐度梯度下的渗透发电

粒子的高迁移率为大功率发电带来了希望。我们计算出单管产生的最大功率为P=I²_osm/4G。从扩散渗透实验中提取的P值如图3c所示，其中每根管提供的功率约为0.1 pW。为了对单个小碳纳米管的渗透能力有一个正确的认识，我们使用了一个通常的价值值，它对应于管子每单位横截面积产生的电功率。对应的单孔功率密度(单位横截面积渗透功率)P^∗=P/πR²作为盐度梯度的函数如图3d所示。值得注意的是，单个DWCNT的P*可以达到22.5 kW m^-2，比原始石墨烯(1.5 kW m^-2)大15倍，比其他纳米孔或纳米管大1-2个数量级。我们注意到二硫化钼纳米孔显示出更高的P* (106 W m^-2，比现有的大30倍)和最近报道的活性炭通道(100 kW m^-2)的值比我们的大三倍。然而，由于功率密度与管/通道的长度成反比，假设二硫化钼纳米孔的长度为0.6 nm，而活性炭纳米管的长度为3-10 μm，因此本文测量的长度为100 μm的DWCNT的单位长度功率密度值最高，这可能更具实际意义。