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超薄多孔膜的离子选择性和盐度差能转换研究成果发表
《X-MOL资讯》微信公众号 / 时间:2018-10-22 11:20:59

  据X-MOL资讯微信公众平台2018年10月22日讯 传统能源消耗带来的气候变暖和环境污染使开发清洁和可再生能源成为全人类迫切需要解决的问题。江河入海口存在的盐度梯度可产生总量约为2.6 TW的功率,相当于目前全球能源消耗20%的清洁能源。将盐度差能转化为电能的方法中,利用离子选择性膜的反向电渗析过程是一种有竞争力的技术。膜材料的发展受限,成为该领域近半个世纪以来未得到显著发展的关键瓶颈。如何提升膜的离子选择性,同时又实现高离子通量成为一大挑战。石墨烯、二硫化钼等二维材料的出现为盐度差能转换提供了新的机会。由于其原子级别的厚度在实现选择性的同时提供了极低的跨膜流阻,有望极大提高盐差能转化的能量密度。
  实验方面,利用单层二硫化钼膜上的单孔进行盐度差能-电能转换,能够产生约225pW的功率(Nature, 2016, 536, 197),比在微米厚的高分子膜上的单孔高近一个数量级(Adv. Funct. Mater., 2010, 20, 1339)。理论上讲,超薄多孔膜上的功率密度能够达到惊人的103~106W·m-2 (Nat. Rev. Chem., 2017, 1, 91)。然而,目前所有宏观尺度膜材料能实现的功率密度都不超过10W·m-2。研究巨大差异背后存在的科知识题对设计高性能的多孔膜材料和器件具有重要意义。一方面,常用理论估算采用线性外推的方法,忽视了多孔体系中孔道之间的相互作用和影响,过高地估计了在高孔密度条件下对离子跨膜输运的影响(Mater. Chem. Front., 2018, 2, 935)。另一方面,超薄膜体系中剧烈的跨膜扩散极大增强了离子浓度极化效应,使孔道之间的相互作用对孔道的离子输运影响更加显著(Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1604302)。
  最近,中国科学院理化技术研究所的郭维研究员领导的团队系统地研究了超薄多孔膜体系中离子选择性的产生机制。他们发现了基于超薄纳米多孔膜的盐差能转换过程,膜的离子选择性主要来源于膜表面电荷的贡献。而非通常认为的纳米孔道的选择性是由孔道内壁的电荷产生的。研究结果表明,膜表面带电区域的大小能够显著影响超薄纳米孔的离子选择性,意味着对于超薄膜体系来说存在一个临界的膜表面带电区域,以保持孔道的离子选择性。


超薄多孔膜的离子选择性和盐度差能转换研究成果发表


  这一特性对于超薄膜多孔体系的盐度差能转换至关重要。由于每个孔都需要一定的膜表面带电区来保持孔道的选择性。因此,在高孔密度下,相邻孔道之间没有足够的膜表面电荷来维持离子的选择性输运。随着孔密度的增大,孔道的能量转换效率会逐渐降低,所产生的功率密度也偏离线性增长的预测趋势,甚至会显著下降。这一发现说明了为什么实验上真正的多孔膜总是达不到由单孔所预期的高功率密度。通过优化孔径和孔密度,使用直径约为1~2 nm的孔,在孔隙率达到10%左右的条件下,超薄多孔体系的功率密度极限可以达到几百W·m-2,成为实际可达到的指标。


超薄多孔膜的离子选择性和盐度差能转换研究成果发表


  这一成果近期发表在Advanced Functional Materials上,文章的第一编辑是厦门大学的曹留烜助理教授(On the Origin of Ion Selectivity in Ultrathin Nanopores: Insights for Membrane-Scale Osmotic Energy Conversion,Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1804189, DOI: 10.1002/adfm.201804189)。

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