北航江雷院士、高龍成副教授《Sci. Adv.》：在鹽差能轉換方面取得新進展
在河流入海口，由于海水和河水濃度差存在著鹽差能，作為一種儲量豐富的可再生清潔能源，有望緩解化石能源帶來的環(huán)境污染，全球變暖等問題。基于離子選擇性的膜的反電滲析電池是實現鹽差能轉換為化學能的最有前景方式。但是作為其中的核心部件——離子選擇性膜存在著離子通量小，無法實現鹽差能的高密度轉換（>5 W/m-2）的問題。
為了解決這一難題，江雷院士、高龍成副教授課題組向自然學習，借鑒了生命體中氯離子通道的結構特點，在已有大面積制備高機械強度、高孔密度聚合膜的基礎上（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 13056; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8905），將超支化聚乙烯亞胺（PEI）分子精準地修飾納米孔的端口處，構筑了蘑菇形的不對稱納米孔陣列膜，該方法具有快速、精準、可大面積制備等優(yōu)勢。
圖1. 高機械強度，超高孔密度，具有薄選擇層的不對稱膜的制備路線
通過原子力顯微鏡測試發(fā)現在水溶液中PEI發(fā)生溶脹，形成3D空腔網絡，為離子傳輸提供通道。通過“標度理論”分析，每個 “蘑菇帽”表面含有數十個離子傳輸通道，因此，不對稱納米孔膜的離子通道密度達到1012 cm-2。不對稱膜表現出優(yōu)異的離子二極管行為，有效的抑制了濃差極化，實現了高效的鹽差能轉換，功率密度達到22.4 W/m-2。這種利用單分子層構建不對稱薄膜的理念為海水淡化、離子篩分和鹽差能轉換等隔膜的設計提供了新思路。
圖2. 空氣和水下原子力顯微鏡測試驗證不對稱膜具有超高的孔密度
該工作發(fā)表在Science Advances（Sci. Adv. 7, eabg2183 (2021)）。論文第一作者是北航化學學院李超博士，通訊作者為高龍成副教授。該工作得到江雷院士的指導和聞利平研究員的大力支持。
原文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/21/eabg2183
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