【摘要】

新興的由兩種不同多孔膜組成的不對稱離子膜在收集清潔和可再生滲透能方面表現出極大的優勢。限制其應用的主要障礙是界面不兼容和界面離子傳輸效率低，不利于長期穩定性和功率密度的提高。

最近，中國科學院理化技術研究所江雷院士，青島大學隨欣教授/范汶鑫副教授/隋坤艷教授科研大團隊，共同通過超快反應擴散法制備的連續梯度全多糖聚電解質水凝膠膜已被證明能夠實現高性能的滲透能轉換。除了固有的高離子電導率和優異的離子選擇性外，抗溶脹梯度聚電解質膜保留了非對稱膜的離子二極管效應，以促進單向離子擴散，但避免了它們不利的界面效應。因此，基于梯度聚電解質膜的發電機可以通過混合海水和河水呈現 7.87 W/m² 的超高功率密度，遠遠優于最先進的膜。本研究中的設計策略可以為構建用于滲透能收集的高性能膜提供新的見解。相關論文以題為Anti-swelling gradient polyelectrolyte hydrogel membranes as high-performance osmotic energy generators發表在《Angewandte Chemie International Edition》上。第一作者是青島大學碩士研究生邊國帥同學。

【主圖導讀】

【梯度聚電解質水凝膠膜的制備與表征】

圖 1. 梯度全多糖聚電解質水凝膠膜滲透發電機示意圖。(a)多糖聚電解質的材料資源和分子結構、所得水凝膠膜的梯度結構和滲透能收集過程的示意圖。(b 和 c) 梯度 CS/SA 水凝膠膜的橫截面 SEM 圖像 (b) 和 CLSM 圖像 (c)。

【離子跨膜傳輸特性】

圖 2. 跨膜離子傳輸特性。(a) 梯度 CS/SA 膜的離子電導與鹽濃度的關系。(b) 在 0.01 M KCl 溶液中記錄的梯度膜的 I-V 曲線。(c) 使用不同 SA 濃度制備的梯度 CS/SA 膜的 Zeta 電位。(d) 兩種帶相反電荷的熒光染料滲透實驗的時間-濃度曲線。(e) 梯度 CS/SA 水凝膠膜的溶脹度 (SD) 對鹽濃度的依賴性。(f) 前向和后向鹽水梯度下梯度 CS/SA 膜的 I-V 曲線。

【不同條件下的滲透能轉換行為】

圖 3. 滲透能量收集性能。(a) 用不同 SA 濃度制備的梯度 CS/SA 膜的電流密度和 (b) 輸出功率密度。(c) 用不同 CS 濃度制備的梯度 CS/SA 膜的最大輸出功率密度。(d) 不同厚度的梯度 CS/SA 水凝膠膜在 50 倍鹽度梯度下的輸出功率密度。(e) 三種鹽度梯度下梯度 CS/SA 膜的輸出功率密度。不同電解質 (f) 和不同 pH (g) 下梯度 CS/SA 膜的最大輸出功率密度。(h) 梯度 CS/SA 膜在不同 pH 值下的結構演變示意圖。

【混合海水與河水時的滲透能轉換行為】

圖 4. 實際應用中的滲透能轉換性能。(a)通過混合天然海水和河水得到的膜的電流密度和功率密度。(b)基于膜的能量裝置的穩定性測試。（c）在混合海水和河水的情況下，功率密度與報道的宏觀納米流體膜的比較。(d)最大輸出功率密度與使用天然海水和河水的測試區域之間的關系。(e)測試設備優化前后28 mm²大測試區域的輸出功率密度。

【總結】

該團隊在通過超快反應擴散法制備的梯度全多糖聚電解質水凝膠膜中展示了高性能的滲透能轉換。所制備的具有連續梯度結構的非對稱膜可以消除已報道的非對稱離子膜存在的不利界面效應。受益于固有的高電導率、帶電3D聚合物網絡的優異離子選擇性和梯度電荷誘導的離子二極管效應，基于梯度聚電解質水凝膠膜的裝置通過混合海水和河水呈現出 7.87 W/m² 的超高功率密度，優于以前的報道的。特別是首次揭示了功率密度隨著測試面積的增加而降低的原因，這是由于測試設備的電阻較大造成的。這項工作從根本上為首次從膜和發電機裝置的角度設計具有所需能量轉換性能的 RED 發電機裝置提供了理論和實踐指導。

參考文獻：

doi.org/10.1002/anie.202108549