剧情简介
成都理工大学汪建《Small》：释放渗透能的力量！
第一作者：曾欢（成都理工大学研究生)
通讯作者：汪建（成都理工大学副教授）
通讯单位：成都理工大学材料与化学化工学院
原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202310811
随着世界人口的增长和工业的发展，对能源的需求不断增加，寻找高效和环保的可再生能源非常重要。渗透能，又称蓝色或盐度梯度能量，储存在海水和淡水之间或不同盐浓度的海水之间的盐度梯度中，含有巨大的能量。与其他海洋能量相比，其更稳定，在海洋能量中能量密度最高。是一种极具开发潜力的可再生清洁能源，其作为处理能源问题的一种解决方案受到了广泛关注。基于离子交换膜的反向电渗析（RED）是从盐度梯度中获得渗透能的一种重要方法。具有高离子选择性和离子渗透性的离子交换膜的制备一直在被研究人员不断的探索。
近期，成都理工大学材料与化学化工学院汪建副教授课题组在Small上发表了题为“Unleashing the Power of Osmotic Energy: Metal Hydroxide-Organic Framework Membranes for Efficient Conversion”的研究论文。论文第一作者是成都理工大学材料与化学化工学院2022级研究生曾欢，通讯作者为成都理工大学汪建副教授。该工作得到了国家自然科学基金委员会的支持。在本研究中，采用简易的水热法在多孔阳极氧化铝（AAO）膜上成功制备了金属氢氧化物-有机框架（MHOF）膜，形成了Ni2(OH)2@AAO复合膜。首次将Ni基MHOF复合膜应用于渗透能转换领域。该复合膜表面带有负电荷，具有良好的阳离子选择性，非对称结构及极强的亲水性提高了离子通量，从而能有效地捕获渗透能。在50倍的KCl浓度梯度下，复合膜最大输出功率密度为5.65 W/m2，超过了5 W/m2的商业基准。同时，该复合膜在不同的电解质溶液和酸碱环境中也能表现出良好的性能。本研究为MHOF膜在高效渗透能转换中的构建和应用提供了新的途径。
文章要点
在这项研究中，如图1所示，Ni2(OH)2@AAO纳米通道复合膜采用简单的水热法成功制备。使用特制的聚四氟乙烯模具对AAO膜单侧进行密封处理，以确保MHOF只在AAO膜的单侧进行生长，构建非对称结构的复合膜。所使用的AAO膜具有有序排列的纳米通道（孔径为160-200 nm）。利用扫描电镜对复合膜的形貌进行了表征。复合膜的顶部、横截面和底部的SEM图像显示由纳米片状结构形成的纳米花球堆叠起的MHOF层只在AAO膜单侧生长。
图1. Ni2(OH)2@AAO复合膜的制备过程及表征。（a）Ni2(OH)2@AAO复合膜合成过程的示意图；（b）、（c）、（d）分别为Ni2(OH)2@AAO复合膜的顶部、横截面和底部的SEM图像。
对复合膜的离子输运行为进行探究。复合膜在0.01 M KCl溶液中进行电流测量，设置偏置电压在+1 V和−1 V之间交替进行。在60 min内正负电流均保持稳定状态，说明Ni2(OH)2@AAO复合膜离子传输的稳定性。同时，稳定性也是作为离子交换膜的关键要素之一。通过电化学测试及zeta电位测试都表明复合膜表面带负电荷，具有阳离子选择性。（图2）
图2. （a）在 0.01 M KCl 溶液中进行了复合膜的动态电流记录，外部偏压在 +1 V 和 -1 V 之间交替变化；（b）Ni2(OH)2@AAO复合膜的离子电导随KCl浓度的变化；（c）复合膜的I-V曲线。AAO侧为1 μM KCl，MHOF侧为0.01 M KCl，紫色和绿色曲线分别表示K+和Cl−贡献的电流。
基于对膜的各项特性的表征，进一步对其渗透能转换性能进行探究。通过分析复合膜在KCl浓度梯度下的I-V曲线来确定增强渗透能转换的离子输运优先方向。在电路中接入电阻箱作为外部负载，膜的渗透能量可以通过输送到外部电路的输出功率来评估。当外部电阻等于膜的内阻时输出功率密度达到最大值。原始AAO膜在50倍KCl浓度梯度（0.5 M/0.01 M）下测得的功率密度为0.98 W/m2，制备的Ni2(OH)2@AAO复合膜最大功率密度为5.65 W/m2，超过了5 W/m2的商业基准。（图3）
图3. Ni2(OH)2@AAO复合膜的渗透能转换。（a）在浓度梯度下进行渗透能转换的实验装置示意图；（b）复合膜的I-V曲线；（c）不同KCl浓度梯度下的Voc和Isc值；（d）、（e）分别为复合膜在5倍、50倍和500倍KCl浓度梯度下的电流密度和功率密度；（f）不同KCl浓度梯度下复合膜的最大输出功率密度。
在模拟实际的自然水资源的盐差梯度如微咸水/淡水（0.05 M/0.01 M NaCl）、海水/淡水（0.5 M/0.01 M NaCl）、盐湖/淡水（5 M/0.01 M NaCl）的环境中，评估复合膜的渗透能转换性能。同时也考虑到在实际水环境中存在多种阳离子，进一步研究比较了在50倍浓度梯度的KCl、NaCl、LiCl中复合膜的渗透能转换性能。研究了不同pH值对Ni2(OH)2@AAO复合膜渗透能转换的影响。复合膜在较宽的pH范围内表现出良好的能量转换性能，在碱性条件下，表面电荷密度增加，增强了离子的输运性质，提高了功率密度。测量复合膜在一周内的最大输出功率密度，结果保持较稳定状态，这也表明了我们制备的Ni2(OH)2@AAO复合膜渗透功率转换性能的稳定性，其具备实际应用的可能性。（图4）
图4.（a）、（b）分别为复合膜在5倍、50倍和500倍NaCl浓度梯度下的功率密度和电流密度；（c）、（d）分别为复合膜在50 倍浓度梯度的 KCl、NaCl 和 LiCl 中测量的功率密度和电流密度；（e）不同pH的50倍KCl浓度梯度中测量的膜的最大输出功率密度；（f）在50倍KCl浓度梯度下连续测量一周复合膜的最大输出功率密度。
总结
综上所述，我们成功制备的Ni2(OH)2@AAO复合膜在结构、表面电荷和润湿性方面均具有不对称性。结果表明，Ni2(OH)2@AAO层具有较强的亲水性，表面带有负电荷，具有阳离子选择性和足够的离子通量。在50倍的KCl浓度梯度下，最大输出功率密度达到5.65 W/m2，优于商业基准。在50倍NaCl浓度梯度的模拟海水/河水中，功率密度也达到了2.87 W/m2。此外，该复合膜在较宽的pH范围内表现出良好的能量转换性能，特别是在碱性溶液（pH = 11）中，功率密度为7.11 W/m2。这项工作为构建高效渗透能转换系统提供了一种简便的策略，并为 MHOF 膜的应用开辟了新的前景。
作者简介
汪建，成都理工大学材料与化学化工学院副教授，硕士生导师，珠峰引才计划B类人才。主要从事仿生纳米通道、材料表面与界面、盐差能转换与利用等方面的研究，在ACS Nano、Advanced Functional Materials、Small、Accounts of Materials Research、ACS Applied Materials & Interfaces等研究领域重要期刊上发表论文30余篇，获得授权国家发明专利5项。
来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢成都理工大学材料与化学化工学院汪建课题组投稿。
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