河水与海水之间的渗透能被认为是一种清洁、可再生的“蓝色能源”。通过反向电渗析技术，渗透能可用于发电，这极大地减少了人们对不可再生化石燃料的过度依赖。与不可预测的风能或太阳能相比，这种不间断的、稳定的蓝色能源能够更可靠地用于生活和工业供电。近年来，二维纳米流体膜在从海水和淡水的盐度差异中获取渗透能方面展现出了巨大的前景。然而，其输出功率密度往往受到渗透膜选择性不足的限制。

悉尼科技大学汪国秀教授，中国科学院理化所江雷院士，清华大学康飞宇教授、周栋助理教授等人提出了一种新的空位工程策略，用于提高二维纳米流体膜的渗透选择性，从而实现渗透能的高效获取。作者发现，在磷酸铌（NbOPO 4，记为NbP）纳米片上形成磷空位，可以显著增大其表面负电荷。实验和理论研究均证实，引入空位的NbP（V-NbP）具有快速的离子跨膜迁移和较高的离子选择性，这是由于提高了阳离子的静电亲和力。当其应用于天然河水/海水渗透能发电机时，V-NbP膜实现了创纪录的10.7 W m−2的功率密度，远远超过了5.0 W m−2的商业标准。这项工作为二维材料在纳米流控能量器件中的设计提供了新的思路。该研究以题为“Vacancy Engineering for High-Efficiency Nanofluidic Osmotic Energy Generation”的论文发表在《Journal of the American Chemical Society》上。

【V-NbP膜的制备】

作者证明了在二维材料上引入原子空位可以有效提高纳米流体膜作为高效渗透能发电机的渗透选择性。由于NbP纳米片的低能垒有利于离子扩散，作者将其作为范例，通过简单的酸刻蚀工艺在NbP中产生磷空位，显著提高了NbP的亲水性。然后，将V-NbP纳米片的DMSO分散液直接过滤，得到高弹性的V-NbP膜。V-NbP亲水性的增强将有利于其与水的界面接触，从而促进跨膜离子运输。密度泛函理论计算和分子动力学模拟以及实验研究表明，磷空位显著增强了NbP纳米片的负电荷表面电荷，因此增强了其与水分子的静电吸引力，同时增大了其对电解质中运输阳离子的亲和力，这使得V-NbP膜具有优异的阳离子选择性和高离子通量。

图1 V-NbP膜的表征

图2 离子跨膜输运特性

【V-NbP膜的能量转换】

作者将功率转移到一个带有负载电阻的外部电路，以此来量化从V-NbP膜上获取的渗透能。结果表明，测量的电流密度随着负载电阻的增加而减少，而输出功率在中间电阻为3 kΩ时达到最大值。在50倍的NaCl浓度梯度下，V-NbP膜的输出功率密度为9.7 W m -2，比NbP膜高出300%。作者进一步研究了电解液pH值对V-NbP膜的表面电荷和阳离子运输动态的影响。结果表明，当电解液的pH值从3上升到11时，膜的功率密度从4.2 W m -2增加到15.8W m -2，显示了在碱性溶液中的性能增强。水合层尺寸较小的阳离子有利于通过膜的纳米通道传输，从而促进渗透能的转化。因此，V-NbP膜的最大功率密度在使用LiCl、NaCl和KCl电解质时分别达到5.3、9.7和21.5 W m -2，这证实了V-NbP膜在实际的多离子环境中的应用潜力。

图3 渗透能转换性能

【V-NbP膜的应用】

为了研究V-NbP膜的实际应用，作者根据当地天然海水与河水的盐度差异对发电量进行了评估。结果表明，V-NbP膜的最大功率密度达到了创纪录的10.7 W m -2，远远超过了5.0 W m -2的商业化标准。此外，V-NbP膜的功率密度还能随着浓度梯度的增加而增加。在70倍、500倍和614倍浓度梯度的情况下，其发电量可分别达到14.8、96.2和115.4 W m -2，这体现了V-NbP膜在高浓度差河流实际应用中的优势。作者进一步测试了V-NbP膜的稳定性，发现其在水中浸泡90天后，其输出功率密度没有明显的衰减，这表明V-NbP膜在实际渗透能发电中具有良好的工作稳定性。最后，作者开发了一个由导线连接单元组成的串联装置，其整体输出电压可以达到2.3 V，用来为一个发光二极管供电，这证实了渗透能作为一种可再生和可持续能源的可行性。

图4 V-NbP膜的应用

总结：作者报道了一种通过在二维纳米流体膜上创造原子空位的高效率渗透能发电装置。结合实验分析和理论计算，空位的存在可以明显增强NbP纳米片上的负表面电荷，从而改善膜的亲水性、阳离子选择性和离子通量。对于天然海水/河水系统，该膜实现了创纪录的10.7 W m -2的高功率密度，展现出了其在渗透能发电装置应用中的巨大前景。这项工作为提高渗透能转换效率提供了新的策略，并为水科学、二维材料科学、电化学和可持续能源的进一步发展带来了巨大的希望。

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原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c12936

来源：高分子科学前沿

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