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《自然·通讯》 通过电解质渗透高效收集电能

海水与河水之间的盐度梯度是一种清洁能源,利用盐度梯度发电是解决日益增长的能源需求的一种替代方案,膜基反电渗析技术是一种很有前途的将渗透能转化为电能的技术。最近发表在Nature Communications上的一篇论文(Nat. Commu. 2019, 10,3876)制备了一种基于蚕丝的混合薄膜用于膜基反电渗析技术,并实现了较高的能量转换效率,克服了传统膜效率低、电阻大的局限性。

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纳米流体是一种新兴的能量获取技术,研究人员设计一种高性能的纳米流体器件,该器件具有由蚕丝组成的混合膜纳米纤维膜和阳极氧化铝膜。丝质纳米纤维膜是一种具有负电荷表面和纳米孔道的离子交换传输层;阳极氧化铝膜,作为一个支持的衬底,提供可调通道和两性基团。因此,纳米流体膜具有非对称性几何形状和电荷极性建立,显示低电阻,高性能能量转换,长期稳定。该系统为可持续能源发电、水净化和海水淡化铺平了道路。

随着能源需求的不断增长,渗透能作为一种清洁、可持续的能源受到了科学家们的极大关注。随着纳米流体系统和纳米流体技术的发展,在纳米微环境中控制良好的离子输运为获取渗透能(也称为“蓝能”)带来了新的思路。反向电渗析(RED)是一种很有前途且值得注意的方法。为了获得这种世界性的能量,科学家们对RED膜进行了大量的研究,利用离子交换膜实现了一种从淡水和盐水中直接发电的微型化装置,其功率密度约为72mw m−2。此外,通过叠加多个膜并优化间隙参数,可以得到2.2 W m−2的功率密度。然而,传统RED中使用的大多数离子交换膜都存在一定的功率密度限制,包括传质不足和膜电阻高。具有可控离子输运的纳米流体通道系统被认为是开发渗透能的新候选者。纳米流体所具有的较高的离子选择性和高质量通量可以极大地促进渗透功率的采集。

家蚕丝是最常见的天然生物材料,具有优异的力学性能、良好的生物相容性、丰富的表面基团、易化学修饰、规模化栽培等特点。纳米丝纤维材料在粒子分离、柔性电子器件、热绝缘纺织品、可穿戴传感器等领域有着广泛的应用。特别是由于丝素蛋白的特殊分子结构,其丰富的强氢键与范德华力可以形成热力学稳定的结构,从而使其在水净化中具有优异的性能。另一方面,阳极氧化铝(anodic aluminum oxide, AAO)膜由于其沟道结构可控、表面极性可调校、稳定性好等特点,是应用最广泛的基底材料之一,在各个领域,特别是在纳米流体系统中得到了广泛的应用。


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