三維納米多孔膜的案例
高強Janus三維多孔膜成為“藍色能源”的高效捕手
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電，做“藍色能源”的納米轉化器。通過混合模擬海水和河水濃度的離子溶液，實現了2.66 W/m2的功率密度，并在更高濃差下實現了5.1 W/m2的高功率密度。通過多膜串聯，可以驅動計算器正常工作。這一成果以題為“Unique Ion-Rectification in Hypersaline Environment: A High-Performance and Sustainable Power Generator System”在線發表于Science Advances。(DOI: 10.1126/sciadv.aau1665 )。第一作者是吉林大學在讀博士朱軒伯。
該工作通過分子控制實現了對三維多孔膜孔隙率及電荷密度的調控，多孔膜的孔徑基本維持一致，并且通過簡單的方法實現系列Janus膜的大面積制備。該系列膜都表現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于整流的限制，避免了內部損耗，使得Janus膜在能差發電器件方面有非常不錯的表現。基于聚芳醚本身穩定的分子結構，Janus膜也展現出優異的穩定性。通過多膜串聯，可以驅動計算器正常工作。
這項工作已被新華社、科學雜志社亮點報道，且諸多國內外多家媒體對此工作進行評論，推進了在鹽差發電領域對于限域空間內離子傳輸和功能化聚芳醚材料設計的基本理解，拓寬了功能化特種工程高分子的應用前景，為設計和制備新型、高效的可持續清潔能源器件奠定了基礎，展現出巨大應用潛力。
【圖文簡介】
Figure 1. Janus膜的制備和結構示意圖。
通過簡單高效的方法實現了Janus膜的大面積制備。
Figure 2.
展開 江雷院士團隊Joule：實現仿生納米多孔膜高效捕獲“藍色能源”
圖1 A 對稱結構的離子交換膜；B 發電細胞中的不對稱K+通道結構；C 具有不對稱孔結構的仿生納米膜產生類似發電細胞的整流電流
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。
展開 曼徹斯特大學李加深團隊《ACS AMI》：變廢為寶-回收可樂瓶制備的多層級多孔納米纖維膜高效捕獲PM2.5及模擬病毒
利用回收的塑料瓶制備納米纖維膜，開發空氣過濾產品可以兼顧以上兩方面的問題。
在空氣污染物過濾設備中使用靜電紡絲工藝制備的納米纖維膜已是學術界和產業界的共識。高比表面積的多孔纖維膜一般被認為有比較高的過濾效率。通過對靜電紡絲得到的原生纖維進行溶液浸泡后處理可以改變纖維的表面形貌，使原來光滑的纖維表面產生納米級多孔結構，從而達到增加其表面積的目的。
圖1 不同溶劑處理30分鐘的回收PET纖維的SEM圖像。(a)無水乙醇；(b)丙酮；(c) 1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)/乙醇(1:1 wt %)；(d) NMP/乙醇(1:1 wt %)，乙醇沖洗；(e) NMP/乙醇(3:5 wt %)；和(f) NMP/乙醇(1:3 wt %)。
后處理溶劑選擇是成功制備靜電紡絲表面多孔或高粗糙度纖維的關鍵點之一。因此，可以誘導PET發生重結晶，進而改變形貌的溶劑都被選擇用來處理PET納米纖維膜，并將處理前后的樣品實施形貌和其他表征。
圖2 空氣過濾試驗示意圖。
病毒，包括近年引起大流行的COVID-19 冠狀病毒，本質上是一種蛋白類大分子，其尺寸一般為亞微米級。已有廣泛的研究證實，含有SARS-COV-2病毒的人體體液是傳播COVID-19的主要途徑。考慮到操作病毒的危險性，本實驗使用生物實驗室常用的熒光蛋白模擬病毒，對PET膜進行含病毒水霧的過濾性能測試。可以發現經過NMP處理后的PET纖維膜可以更高效的攔截熒光蛋白。因此可以肯定的是，經過后處理的高粗糙度的纖維膜的過濾效果要優于原生光滑纖維。這歸功于其粗糙的纖維表面對外來顆粒有更多的攔截和捕獲機會。
展開 基于分子前驅體的三維類石墨烯多孔碳納米片設計及超級電容器應用
超級電容器主要以活性炭、介孔碳等多孔碳電極為基礎，其本質上依賴于電極表面離子吸附的電雙層電容。目前，具有良好形貌和多孔結構的多孔碳電極材料的設計與合成已成為高性能超級電容器發展的重要課題之一。在各種多孔碳材料中，三維（3-D）石墨烯類多孔碳納米板（GPCNs）最近被證明是一種先進的碳材料。三維GPCNs由于其具有高度的三維網絡結構、高導電性和良好的結構穩定性，可以為高性能超級電容器電極的設計提供良好的應用條件。另一方面，三維石墨烯類碳網絡的分層多孔結構由于其快速的傳質和高效的離子吸附，可以產生顯著地電雙層電容。多年來，在電化學儲能領域中，多種碳質前驅體被選為通用三維GPCNs的設計和合成。其中生物量前體和分子前體是重要的兩大類。然而，由分子前體衍生的三維GPCNs仍面臨著合成過程復雜、生產成本高、厚度不均勻、比表面積小等巨大挑戰。因此，開發一種簡單有效的制備具有超薄納米結構（＜10nm）和高比表面積（＞2000m2g-1）的高性能三維GPCNs的技術迫在眉睫。
【成果簡介】
廣東石油化工學院的李澤勝(通訊)等人報道了一種方便、高效的一鍋KOH活化技術（采用低成本的石油焦埋保護法）利用廣泛使用的表面活性劑（Tween-20）作為碳源（即分子前體），合成了新型三維石墨烯類碳納米薄片（即三維GPCNs）網絡。合成的材料具有良好的三維網絡結構和分層多孔結構（比表面積2017.3m2g-1），且具有典型的8.5nm厚度的納米片，以及大量的微孔結構（＜2nm）和部分介孔結構（2-3nm）。作為一種很有前途的超級電容器電極，其比電容高達316.8Fg-1，在電流密度為1Ag-1 的情況下進行循環穩定性測試，結果表明制備的電極在1molL-1KOH水溶液中具有良好的循環穩定性（2000次循環后保持率為92.5%）。
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