現今，能源問題成為人類社會亟待解決的重大問題。眾所周知，人類賴以生存的化石能源正日益枯竭，化石能源使用過程中產生的有害物質也在破壞著生態環境。解決該問題的絕佳途徑是尋找可替代的新能源。藍色能源，又稱海洋能，是一種蘊藏于海洋中的可再生能源，利用淡水和咸水交匯實現發電。1954年，Pattle發現當海水與河流匯合時，會產生巨大能量。1975年，Loeb將鹽度差能提取技術和選擇性滲透膜相結合。

為了捕獲鹽度差異所產生的巨大能量，通常采用壓力延遲滲透（pressure-retarded osmosis，PRO）和反向電滲析（reverse electrodialysis，RED）這兩種最常見且具有工業化前景的鹽差能轉化技術，兩種技術都以膜科學為基礎。PRO技術使用半滲透膜，膜兩側溶液存在鹽度差異，當水從稀溶液進入濃溶液時，薄膜兩側的化學勢能達到平衡，水的機械能可轉化為電能。RED技術使用離子交換膜，利用離子在膜兩側的濃度差，使離子在薄膜上定向遷移，可將化學能直接轉換為電能。近日，中科院理化所江雷院士團隊在Cell Press旗下Joule 期刊Future Energy欄目上發表了一篇題為“Bioinspired Nanoporous Membrane for Salinity Gradient Energy Harvesting”的文章，主要討論了RED技術的發展現狀和趨勢。

開發高效膜材料用以鹽差能轉換的挑戰

傳統膜設計主要集中在具有對稱結構的離子選擇性單層膜上。在能量轉換過程中，反離子在稀溶液側富集，屏蔽了膜的選擇性，使擴散層鹽度升高，抑制有效離子轉移，降低能量轉換效率，導致能量損耗。近年來，具有豐富表面電荷的二維材料（氮化硼[BN]、MoS₂和氧化石墨烯[GO]）在輸出功率密度方面表現出巨大潛力。這些具有分子級厚度的薄片表面電荷密度高（達～1 C/m^-2），可增強離子流和離子選擇性。然而，此類材料的工業化生產卻充滿挑戰，其中主要影響因素有以下幾點：

離子選擇性

離子交換膜是RED技術的主要組成部分，離子通過離子交換膜定向遷移形成內電流。因此，選擇性是鹽度差能量收集的核心要素之一。膜表面電荷和孔徑都會影響陰陽離子的選擇性。一般來說，膜孔徑在亞納米或納米尺度，且表面電荷密度較大時，膜選擇性高。

滲透性

如前所述，亞/納米級孔可提高選擇性。然而，小尺寸孔徑會導致材料滲透性降低，從而影響輸出功率密度。一定程度上，選擇性和滲透性相互制約。選擇性決定了膜的功能，滲透性則極大影響膜的輸出功率密度。如何均衡這兩種性質是提高鹽差能收集效率的關鍵。目前，最先進的方法是制備厚度小于1微米的超薄膜。

高效能量轉換

膜與電解質界面附近的離子濃度增加時，膜表面電荷被反離子過度屏蔽。這種界面處的極化效應會削弱膜的選擇性，從而嚴重影響能量收集效率。

輸出功率密度

維持經濟穩定發展的最低工業輸出功率密度為5.0 W/m²。幾十年來，科學家們探索了一系列基于膜材料的能量收集技術。然而，如何提高功率密度仍是個技術難題。

非對稱仿生納米多孔膜促進能量轉換

電鰻可瞬間產生高達600伏特（V）和1安培（A）電流。科學家早先對發電細胞和仿生選擇性膜的研究發現，嵌在這種細胞中的鉀離子通道具有不對稱結構，可產生K⁺內電流（圖1）。與對稱的孔結構相比，離子在非對稱孔結構中進行非線性傳輸。這種離子-二極管-納米流體模式為新型RED能量收集提供了一種思路。不對稱結構孔起著肖克利二極管的作用，可阻斷反向電流，避免能量耗散，消除極化現象。

仿生納米多孔膜用以RED能量收集技術的研究進展

具有單向離子傳輸特性的非均相膜經證實可作為鹽差發電的有效材料（圖2）。采用負性介孔炭（7 nm孔徑）和微孔氧化鋁（80 nm孔徑）兩種復合材料構建非均相膜。當在膜上施加電位時，兩表面間的異質結可產生整流電流（圖2A）。結果表明，在高濃度電解液中，整流比可達450左右，所產生的電流可在高濃度電解液側得到保留。為進一步提高性能，通過兩個嵌段共聚物相分離開發了超薄Janus膜（圖2B）用于天然海水和河水混合發電，功率密度為2.04 W/m²。

通常，當離子通過選擇性膜從海洋進入河流時，離子在界面處趨于極化。這種極化現象會降低膜的選擇性，導致能量損失。電解質與孔隙界面處的離子傳輸行為在滲透能轉換過程中起著重要作用。一般來說，離子的遷移行為（離子整流和選擇性）依賴于離子濃度。基于傳統膜發電機的選擇性和轉化效率會隨鹽度差的增大而降低。為突破這一瓶頸，作者通過精細設計（圖2C），制備了兩種具有相反電荷極性且表面電荷密度可調的離聚物，利用相分離技術獲得了尺寸更大的具有三維孔的Janus（雙面）膜。這種膜體系中的納米流體行為在高鹽溶液中表現獨特。實驗表明，在1摩爾/升KCl溶液中，整流比最高（約57.2），說明該體系臨界濃度峰（出現最高整流比的濃度）至少可以提高一個數量級的鹽濃度，并且在高鹽溶液中表現出高選擇性和高整流電流。同時，團隊開發了三維凝膠界面以進一步提升能量收集性能（圖2D）。將一層功能性聚電解質凝膠層澆注在多孔芳綸納米纖維膜上。凝膠層提供了一個帶電的三維傳送網絡，可顯著提高界面傳輸效率。當天然海水和河水混合時，該體系發電量為5.06 W/m²，達到了工業要求的5.0 W/m²。

綜上，Janus膜因具有以下特點，可提高鹽差能發電設備的性能：

（1）膜的不對稱因素（表面電荷極性、孔徑和各層厚度）決定了離子流的方向；

（2）表面電荷密度大，保證了膜選擇透過性；

（3）合適的孔徑，提供了超高的離子跨膜電導率。