【前言】

隨著當(dāng)今世界的快速發(fā)展，能源已經(jīng)成為人類(lèi)社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。 然而傳統(tǒng)的化石能源至今仍存在著不可持續(xù)、生態(tài)破壞等諸多問(wèn)題。開(kāi)發(fā)利用新型的可持續(xù)發(fā)展的清潔能源勢(shì)在必行，是世界發(fā)展的共同議題。

海水中蘊(yùn)藏著巨大的能量，又稱(chēng)藍(lán)色能源，鹽差能就是其中典型的一種，廣泛存在于江河的入海處。早在1954年，R.E Pattle教授就預(yù)言，當(dāng)海水和淡水在界面混合時(shí)，由于鹽度不同，海水對(duì)于淡水存在滲透壓以及稀釋熱、吸收熱、濃淡電位差等濃度差能，且該能量可以被收集及轉(zhuǎn)化。目前地球上存在著26億千瓦可利用的鹽差能，被認(rèn)為是一種比較有利用前景的藍(lán)色能源。

【成果簡(jiǎn)介】

中科院理化所江雷研究員組及周亞紅博士在離子鹽差發(fā)電方面開(kāi)展了系列工作，今日與吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院特塑中心的姜振華教授團(tuán)隊(duì)合作。通過(guò)分子功能性精確設(shè)計(jì)，制備了一系列表面電荷極性/電荷密度可調(diào)的功能化聚芳醚的離子型聚合物。基于此，作者制備了系列Janus三維納米多孔膜，并將其利用于濃差發(fā)電，做“藍(lán)色能源”的納米轉(zhuǎn)化器。通過(guò)混合模擬海水和河水濃度的離子溶液，實(shí)現(xiàn)了2.66 W/m²的功率密度，并在更高濃差下實(shí)現(xiàn)了5.1 W/m²的高功率密度。通過(guò)多膜串聯(lián)，可以驅(qū)動(dòng)計(jì)算器正常工作。這一成果以題為“Unique Ion-Rectification in Hypersaline Environment: A High-Performance and Sustainable Power Generator System”在線發(fā)表于Science Advances。(DOI: 10.1126/sciadv.aau1665 )。第一作者是吉林大學(xué)在讀博士朱軒伯。

該工作通過(guò)分子控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維多孔膜孔隙率及電荷密度的調(diào)控，多孔膜的孔徑基本維持一致，并且通過(guò)簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)系列Janus膜的大面積制備。該系列膜都表現(xiàn)出良好的離子選擇和整流性能，高的電荷密度打破了濃度對(duì)于整流的限制，避免了內(nèi)部損耗，使得Janus膜在能差發(fā)電器件方面有非常不錯(cuò)的表現(xiàn)。基于聚芳醚本身穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)，Janus膜也展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。通過(guò)多膜串聯(lián)，可以驅(qū)動(dòng)計(jì)算器正常工作。

這項(xiàng)工作已被新華社、科學(xué)雜志社亮點(diǎn)報(bào)道，且諸多國(guó)內(nèi)外多家媒體對(duì)此工作進(jìn)行評(píng)論，推進(jìn)了在鹽差發(fā)電領(lǐng)域?qū)τ谙抻蚩臻g內(nèi)離子傳輸和功能化聚芳醚材料設(shè)計(jì)的基本理解，拓寬了功能化特種工程高分子的應(yīng)用前景，為設(shè)計(jì)和制備新型、高效的可持續(xù)清潔能源器件奠定了基礎(chǔ)，展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。

【圖文簡(jiǎn)介】

Figure 1. Janus膜的制備和結(jié)構(gòu)示意圖。

通過(guò)簡(jiǎn)單高效的方法實(shí)現(xiàn)了Janus膜的大面積制備。

Figure 2. Janus膜微觀形貌表征。

隨著功能基團(tuán)含量的增加，孔隙率有所提高，孔徑并沒(méi)有發(fā)生大的變化。

Figure 3. Janus膜的離子傳輸性能

由于大量的表面電荷存在，Janus膜在高濃度下仍然有出色的整流效果。

Figure 4．Janus膜的鹽差發(fā)電性能

隨著功能基團(tuán)含量和濃度梯度的增加，發(fā)電功率不斷提高。

Figure 5．Janus膜的穩(wěn)定性

Janus膜表現(xiàn)出有意的穩(wěn)定性，通過(guò)多膜串聯(lián)，可以驅(qū)動(dòng)計(jì)算器正常工作，120小時(shí)沒(méi)有明顯衰減。

來(lái)源：材料人