北航《Science》子刊：超高渗透能量转换的蘑菇状纳米通道阵列膜！
渗透能是一种大规模的清洁能源，可以通过离子选择膜，直接转化为电能。遗憾的是，以前报道的膜，都不能满足超高功率密度、优异的机械稳定性和大规模制造的所有关键要求。
在此，来自北京航空航天大学的高龙成等研究者，研究了一种具有超薄选择层和超高孔隙密度的大规模、健壮的蘑菇状纳米通道阵列膜，在500倍的盐度梯度下产生的功率密度高达22.4 W·m−2，是大型膜中是最高的。相关论文以题为“Large-scale, robust mushroom-shaped nanochannel array membrane for ultrahigh osmotic energy conversion”发表在Science Advances上。
论文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/21/eabg2183
海水和河水之间的渗透能，是一种大规模的可再生、可持续的能源，通过反向电渗析(RED)可直接转化为电能。在RED系统中，离子选择性输运膜是最重要的部分之一。然而，传统的薄膜，由于其高电阻而表现出较差的功率密度。为了提高能量转换能力，人们已经开发了两种典型的方法。第一个是纳米孔，单纳米孔的存在降低了膜的厚度，表明其具有超高的功率密度。不断努力发展成高孔密度的多孔膜，但关键的力学问题仍未解决。另一种方法是生物激发纳米通道膜(BNMs)，它们是由两层分离膜物理结合而成，分别起着选择层和支撑层的作用。通过增加有效孔密度和减小膜厚度，可实现高输出功率密度。
然而，薄膜(特别是选择性层)的厚度最小化，受到了力学问题的限制(通常是在数百纳米甚至更大的尺度上)。另一方面，纳米通道密度的最大化受到不同直径，和周期尺寸(通常在106到1010cm−2之间)纳米通道之间不匹配的限制。由于力学失效的原因，进一步增加纳米通道的密度是有限的。以前的报道中，没有一种薄膜能够满足超高功率密度、优异的机械稳定性和大规模制造的所有关键要求。
在自然界中，电鳗可以产生高达600 V的动作电位，这是由于它们体内堆积了大量的电细胞。在电细胞中存在着密集排列的离子通道，它们在化学上和几何上都不对称。以Cl-通道为例，氨基酸中的酰胺氮原子聚集在一起，形成一个极短的长度约为1.2 nm的静电有利的窄通道，作为Cl-离子选择过滤器。通道的其余部分较宽，带有由谷氨酸侧链的羧酸基提供的负电荷。非对称离子通道，表现为单向离子传输，可以类比为半导体二极管。短二极管的扩散电流，比长二极管高得多。同样，Cl−通道中极薄的选择性过滤器，有助于离子快速扩散，这是高功率密度的关键因素。
在这里，研究者展示了一种，具有超薄选择性层的超高密度蘑菇状纳米通道阵列膜。该纳米通道由两部分组成：茎部是由嵌段共聚物(BCP)自组装而成的带负电荷的一维(1D)纳米通道阵列，密度为~1011 cm−2；帽部是由单分子层超支化聚乙烯亚胺(h-PEI)形成的带正电荷的三维(3D)通道网络，相当于每个茎有几十个1D纳米通道。选择层中纳米孔的总表面积密度，可达~1012 cm−2。超高密度的离子通道具有单向离子输运和优异的离子选择性，从而实现高性能的能量转换。在500倍盐梯度下，输出功率密度最高，可达22.4 W·m−2。
图1 用于渗透发电的纳米通道阵列膜。
图2 超高密度蘑菇状纳米通道阵列膜。
图3 纳米通道阵列膜的离子输运调控。
图4 超高渗透能转换。
综上所述，研究者制备了一种超高密度的蘑菇状纳米通道阵列膜，在盐度梯度为500倍时，其功率密度可达22.4 W·m−2，在盐度梯度为1000倍时，其功率密度甚至更高，为33.2 W·m−2。超高密度的离子通道，具有单向离子输运和优异的离子选择性，从而实现高性能的能量转换。此外，膜制造的受控过程，为工业化生产提供了一种很有前途的方法。这项研究，为开发下一代不对称纳米孔膜，迈出了重要的一步，并为大规模渗透能量转换开辟了广阔的前景。（文：水生）