Advanced Science:垂直输运的氧化石墨烯实现高效的盐差能转化

人类社会的可持续发展面临着能源危机和环境恶化的挑战,可再生清洁能源的开发成为世界各国的共同选择。在海水和淡水之间蕴藏着大量可再生的盐差能。当同体积的河水与海水混合时,释放的能量相当于等量的水在200 m高处的重力势能,因此河海交界处也被称作“盐差瀑布”。世界范围内每年可利用的盐差能约为26000 TWh,相当于全球每年的电力总消耗。利用膜的反向电渗析过程是一种用于收集盐差能量的传统方法,但是一直受制于选择性渗透膜的性能。近年来二维材料的发展有效提升了纳米多孔膜的性质,但是目前多孔材料在海水|淡水条件下的功率密度依然低于5.0 W m-2的商业化标准。

厦门大学能源学院曹留烜副教授和北京大学物理学院刘峰研究员的研究团队通过制备二维片层排布与离子跨膜输运方向一致的氧化石墨烯(Vertically-oriented graphene oxide, V-GO),获得具有高渗透性的膜材料。通过与片层水平排布的氧化石墨烯(Horizontally stacked graphene oxide, H-GO)对比,发现在相同测试条件下,V-GO在保持高阳离子选择性的同时,离子输运速率比H-GO高出三个数量级。

利用V-GO的高的渗透性和电荷选择性,通过混合海水和河水,V-GO可实现10.6 W m-2的输出功率密度,超过目前已经报道过的多孔膜材料。V-GO能够保持稳定功率密度,通过增大面积能够有效提升输出功率。同时,V-GO具有良好的稳定性,在100多个小时测试过程中,保持了大于10 W m-2的输出功率密度。

分子动力学模拟和理论分析揭示了离子在V-GO中快速输运的原因。贯穿的直孔道缩短了离子跨膜传输路径;垂直排布的片层结构提供了较低的进入势垒和更大的入口面积。该研究揭示了二维片层排布方向对离子输运性质的决定性影响,将极大地促进盐差能的应用,同时为高性能的纳米结构设计,以及化学检测、离子分离、催化和能量转化等领域的研究带来新的启发。相关结果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.202000286)上。