【原】《AFM》：优异的抗生物污染！一种水凝胶膜用于可持续的渗透能量收集

从浓盐溶液和稀盐溶液之间的浓度梯度中收集渗透能被认为是一种很有前途的可再生清洁能源。为了有效地捕获这种能量，人们开发了反向电渗析 (RED) 技术，该技术可以直接将收集到的通过离子选择性膜将渗透能转化为可用电能。开发具有抗生物污染性和生物相容性的离子选择性膜对于在自然环境中收集渗透能和未来的仿生应用至关重要。然而，在渗透能量转换中对具有这些特性的膜的探索在很大程度上仍未得到解决。

来自我国台湾科技大学的学者展示了一种坚韧的两性离子梯度双网络水凝胶膜 (ZGDHM)，它具有出色的抗生物污染性和细胞相容性，可用于可持续的渗透能量收集。ZGDHM 由带负电的 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸 (AMPS) 作为第一个支架网络和两性离子磺基甜菜碱丙烯酰胺 (SBAA) 作为第二个网络组成，通过两步光聚合制备，从而产生连续梯度双-网络纳米结构，然后显着增强机械性能。通过实验和模拟验证，梯度纳米结构赋予水凝胶膜明显的离子二极管效应和空间电荷控制的传输特性，从而促进定向离子传输。因此，ZGDHM 可以通过混合人工海水和河水实现 5.44 W m^-2 的功率密度，超过当前的商业基准。最重要的是，在盐湖水和河水混合时，输出功率可以提升到前所未有的 49.6 W m^-2 值，几乎是大多数现有纳米流体膜的两倍。这项研究为开发用于仿生应用的超高性能渗透能量收集器铺平了道路。相关文章以“Zwitterionic Gradient Double-Network Hydrogel Membranes with Superior Biofouling Resistance for Sustainable Osmotic Energy Harvesting”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https:///10.1002/adfm.202211316

图 1. ZGDHM 的制造和表征。a) 通过两步光聚合过程合成 ZGDHM 的示意图。b) ZGDHM 的示意图。c) ZGDHM 的横截面、d) 顶视图和 e) 底视图 SEM 图像。f) ZGDHM 的密集侧和松散侧的 N 1s 的 XPS 光谱。g) ZGDHM 的光学图像表明其高度透明的特性。h) 各种水凝胶膜的断裂拉伸应力-应变曲线。

图 2. ZGDHM 的整流和强空间电荷控制离子传输特性。a) 实验装置的示意图。b) 在 10 mM KCl 溶液中测试的各种类型的水凝胶膜的 I-V 曲线。c) ZGDHM 的第二个 SBAA 网络中 MBAA 浓度对其 ICR 比率的影响。(d) 具有梯度纳米结构的所考虑系统的模拟 I-V 曲线。e) 所考虑的ZGDHM 系统中总离子浓度在 +2 V（离子富集）和 −2 V（离子耗尽）电压下的空间变化。f) 作为 KCl 浓度函数的跨膜离子电导。

图 3. 超高性能渗透能转换。a) 收集渗透能的实验装置示意图。比较 b) I-V 曲线和 c) ZGDHM (AMPS₃/SBAA₄) 与 SN 水凝胶膜 (AMPS₃) 在 0.5 M/0.01 M（50 倍）NaCl梯度下的渗透能量转换性能。在 (c) 中，ZGDHM 和 AMPS₃ 实现的最大功率密度分别为 ≈ 5.44 和 1.91 W m⁻²。d) AMPS 浓度和 e) 膜厚度对在 50 倍 NaCl 梯度下测试的ZGDHM 最大输出功率密度的影响。f) 在 5 M/0.01 M NaCl 梯度中测试的 ZGDHM 的渗透能转化。g) 在相同的 500 倍 NaCl 梯度下，与现有纳米流体膜实现的功率密度比较，证明了 ZGDHM 的出色性能。h) ZGDHM 生成的 V_oc、I_sc、i) 功率密度和能量转换效率 (η_max) 作为 KCl 梯度的函数。

图 4. 出色的抗生物污染性能。a) AAO、b) SN 水凝胶膜(AMPS₃) 和 c) ZGDHM (AMPS₃/SBAA₄)上细菌附着（绿色）的可视化。d) AAO、e) AMPS₃和 f) AMPS₃/SBAA₄ 膜在生物污染（细菌附着）前后在 50 倍 NaCl 梯度下测试的输出功率密度。g) ZGDHM 的防污机制示意图。

总之，本研究报告了一种坚韧的两性离子梯度双网络水凝胶膜 (ZGDHM)，它具有优异的抗生物污损性和生物相容性，可用于可持续的渗透能量收集。ZGDHM 是通过简单的两步光聚合方法制备的，该方法创建连续梯度双网络纳米结构，从而增强膜的机械性能并诱导类二极管离子整流。明显的离子二极管效应和致密水凝胶层的存在赋予工程化的 AMPS₃/SBAA₄ ZGDHM 放大、定向和强空间电荷控制的离子传输特性。因此，该膜表现出非凡的渗透能量收集性能，在模拟海水/河水交界处的 50 倍 NaCl 梯度下输出功率密度高达 5.44 W m^-2，超过了商业基准。在 500 倍 NaCl 梯度下，输出功率可以进一步提升到前所未有的 49.6 W m⁻²值，几乎是相同测试条件下大多数最先进膜的两倍。最重要的是，开发的 ZGDHM 在经过细菌溶液处理后渗透能量收集性能没有任何明显下降，显示出出色的抗生物污染性能。作为概念证明，这项工作展示了这种膜在超高性能蓝色能量收集中的潜在用途，并为可植入/可穿戴生物医学能量收集设备中相关水凝胶膜的设计铺平了道路。（文：SSC）