基于仿生二维纳米流体通道的高效盐度差能转换

盐度差能 (salinity gradient energy,亦被称为蓝色能源,blue energy ) 是在混合具有不同盐度的离子溶液过程中,将损耗的吉布斯自由能转换为可以利用的清洁能源,它是一种与地球水循环直接相关的可再生能源。开发和利用盐度差能的技术最早提出于20世纪50年代,近六十年来该项技术一直没有取得重大突破,其原因在于所使用的离子交换膜材料没有得到显著的发展,膜材料离子通量和选择性之间的矛盾(permeability-selectivity trade-off),成为制约该技术走向大规模应用的主要瓶颈(Nature 2012, 488, 313)。2010年,北京大学和中国科学院的研究人员受电鳗(electric eel)起电盘隔膜上离子通道和离子泵的启发,以具有选择性的一维单纳米孔道为研究平台,系统研究了穿过仿生纳米通道的离子扩散问题,首次提出利用仿生纳米流体通道来采集盐度差能(Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 1339)。它以小幅牺牲膜通道的选择性为代价,却能大幅提升离子通量,从而使整体输出功率有数量级的提升。基于他们的这一研究成果,中国科学院理化技术研究所江雷院士,郭维研究员团队在基于仿生智能纳米孔道的先进能量转换体系方面作出了一系列开创性成果(Energy Environ. Sci. 2011, 4, 2259; Langmuir 2012, 28, 2194; J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 12265; Acc. Chem. Res. 2013, 46, 2834)。

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最近,作者将仿生能量转换的研究平台拓展到了具有类贝壳结构的二维层状材料中,使用化学修饰的二维材料作为基本组装单元,实现了一种自下而上,大规模,低成本,更为可靠的纳米孔道制造技术,并将其用于盐度差能转换(Adv. Mater. 2013, 25, 6064; Nano Res. 2012, 5, 99; ChemComm 2014, 50, 14149; Sci. China Mater. 2014, 57, 2)。随着制膜技术的不断完善,膜通道选择性的损失得到了有效控制,成为解决该领域 permeability-selectivity trade-off 的有效途径。同时作者与清华大学危岩教授课题组合作,使用化学修饰的带有正负两种相反电荷的氧化石墨烯膜对取代传统的离子交换膜,通过混合模拟海水和河水浓度的离子溶液,实现了0.77 W/m2的功率密度,其性能超越目前主流的商用离子交换膜 54%(a),并且转换的能源可以来自人尿液、汗液,酸雨,工业废水,强酸/强碱,果汁等(b)。他们还首次展示了利用仿生二维离子通道膜材料可以驱动实际的用电器,包括计算器,计时器,温/湿度计,各种颜色的 LED 等,集成后电压可以做到2.7 V(c, d)。

仿生二维纳米流体通道膜材料将对在能源,环境,以及健康等方面应用的膜技术有革命性的推动和发展。相关工作发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.201603623)上。