【科研摘要】
在自然界中，基于离子传输的超快速信号传输是生物过程的基础，通常以水凝胶 -水混合机制起作用。受生物体基于水凝胶的系统的启发， 中国科学院理化技术研究所 闻利平教授 / 江雷院士 研究团队 将水凝胶引入纳米流体中，以制备水凝胶杂化膜。
引入带空间电荷的水凝胶明显改善了离子选择性。 另外，基于水凝胶杂化膜的发电装置显示出优异的能量转换性能。 在500倍的盐度梯度下，可实现高达11.72 W/m 2 的最大功率密度 。此外，该膜显示出优异的机械性能。这些值是可以实现的，这表明 该 膜在渗透能转换中的巨大潜力。 相关论文以题为 Improved Ion Transport in Hydrogel-Based Nanofluidics for Osmotic Energy Conversion 发表在《 ACS Central Science 》上。
【主图导读】
图 1.基于水凝胶混合膜的渗透压发电器的示意图。 （a）得益于空间电荷的水凝胶杂化膜的优异阳离子选择性的示意图。如图所示的渗透发电机可以将盐度梯度转换为电能。（b）水凝胶杂化膜的制造过程。（i）将前体溶液倒在PC膜上。（ii）前体溶液充满了通道的空间。（iii）多余的 溶液被移除 。（iv）通过UV辐射制备水凝胶。（c）水凝胶杂化膜的优异机械性能 。
图 2.水凝胶杂化膜的离子传输特性。 （a）15％AAc / m膜的离子电导率与浓度的关系，显示出受电荷控制的离子传输。（b）罗丹明6G（Rh（+），方形符号）和磺基罗丹明（Rh（-），圆形符号）的渗透率曲线，表明15％AAc/m膜具有出色的阳离子选择性。（c）两种模型的阴离子浓度曲线的模拟结果表明，带空间电荷的通道离子选择性提高。
图 3.使用水凝胶杂化膜可显着改善渗透能转换。 （a）盐度梯度为50倍时，PC膜和15％AAc/m膜的开路电压和短路电流。插图是他们的统计数据。（b）盐度梯度为50倍时PC和15％AAc/m膜的电流密度和功率密度。（c）统计功率密度随AAc含量的增加而增加。（d）表面带电纳米通道和空间带电纳米通道的计算输出功率。
图 4水凝胶混合膜的机械性能。 （a）水凝胶杂化膜（15％AAc/m），PC膜和纯水凝胶的拉伸应力。（b）膜的统计拉伸应力。（c）撕裂力曲线为15％AAc/m，PC膜和纯水凝胶。（d）计算的膜的韧性。（e）15％AAc/m膜在杂交前后的横截面SEM图像（i）；比例尺为500 nm。强界面由水凝胶和通道之间的氢键形成。
图 5.水凝胶杂化膜的耐久性。 （a）该方案说明了摩擦试验。（b）水凝胶混合膜（15％AAc/m膜）的磨损曲线。100次循环后，摩擦力保持在较低的范围内。
【结论】
总之，在实验和理论上都揭示了一维水凝胶的离子迁移和反向电渗析。得益于水凝胶的空间负电荷及其独特的离子传输网络结构，该水凝胶杂化膜表现出优异的阳离子选择性，并且基于水凝胶杂化膜的渗透发电器在渗透能转换方面优于普通的。通过混合人工海水和河水，功率密度高达 4.08 W/m 2 ，在500倍盐度梯度下的最大功率密度为11.72 W/m 2 。水凝胶杂化膜还表现出优异的机械性能，有助于保持高性能。此外，杂化膜的超疏油性和低油粘附力可防止其因生物污染而失效。这项工作为设计渗透动力发电和其他传质过程（包括脱盐和水净化 ）中的高性能膜系统提供了指导。
T OC
参考文献 ： doi.org/10.1021/acscentsci.0c01054
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