Small:超越GO —— WS2纳流体通道膜中的高效光驱动离子输运

生命体系中,电能的产生和释放与一系列跨膜离子输运过程相关。一般来说有两个主要部分,其一,是耗能的主动输运 (active transport) 过程,用于实现抗浓度梯度的输运;其二,是将已有的浓度梯度通过选择则性的离子通道进行释放,利用扩散驱动的被动输运过程 (passive transport) 将其转换成为电能。在过去的十年中,对生物电体系的仿生研究,大量集中在如何将化学梯度转换为电能。然而,在完全非生命的 (abiotic) 体系里实现抗浓度梯度的主动输运,是一件非常不容易的事。几乎所有的仿生体系都需要有生物组件的参与,比如蛋白质生物马达,才能够实现抗浓度梯度的输运。

实现主动输运的主要瓶颈在于,现有的分子输运体系为了实现抗浓度梯度的离子转运,需要分子量是所输运物质成百上千倍的大分子载体 (ion-binding shuttle molecules) 的参与,并且这些载体分子多是基于液态膜或者磷脂膜的。这些特性大大降低了人工输运体系的效率和稳定性,妨害了她的实际应用。2019年初,由中国科学院理化技术研究所郭维研究员(http://www.escience.cn/people/guowei/index.html)领导的研究团队提出了一种开创性的方法,利用从光子到光生载流子,再到离子的耦合输运过程,在完全非生命的材料体系里,利用光照的能量来驱动抗浓度梯度的主动输运过程(Nat. Commun. 2019, 10, 1171)。

最近,他们利用硫化钨(WS2)优异的光电半导体特性,弥补原有氧化石墨烯(GO)材料的不足,在WS2构成的纳流体通道膜中实现了更为高效、快速的可见光驱动的主动离子输运特性。在同等光照条件下,可以把光电流放大30倍,同时响应速度比GO中快了4-6倍。该研究团队成员认为,这一显著的性能提升,来源于WS2材料优异的光电性质。并且,在他们所用的锂插层法制备的WS2纳米片中,同时含有半导体相(2H)和金属相(1T)两种WS2。半导体相WS2,可以作为更为有效的光吸收天线,产生光生载流子;同时,金属相WS2又可以作为高速的电子通路,实现更为有效的电荷分离。此外,由于单层过渡金属二硫属化合物(TMDs)纳米片所具有的三原子层结构,与基于石墨烯家族的二维材料相比,WS2/MoS2/WSe2这类材料的二维纳米片结构上具有更强的刚性。因此,将他们组装成纳流体通道膜的时候,膜电阻会大大降低,实现更为有效的光能-离子能的转换(light energy to ionic power)。 该研究团队成员认为,这项工作打开了一扇探索液相可处理胶体二维材料光电性质的大门,其后有更为广阔的空间,值得探索,值得期待 (There is tremendous room to further exploit the photo-responsiveness of existing liquid processable colloidal 2D materials)。此外,这种由他们提出的光子-光生载流子-离子的耦合输运机制(coupled photon-carrier-ion transport mechanism)目前还处于成长阶段,需要未来经由更多的实验和理论工作来进行检验和提升。相关论文在线发表在 Small (DOI: 10.1002/smll.201905355)上。