滲透能是一種以不同濃度的溶液之間的水壓差而產(chǎn)生的能量發(fā)電的可再生能源，其產(chǎn)出的能量不僅可預(yù)測(cè)，而且產(chǎn)量穩(wěn)定。作為收集流體中現(xiàn)有能量的可持續(xù)方法，有兩個(gè)主要過程：反向電滲析（RED）和壓力延遲滲透（PRO）。其中，離子交換膜（IEM）是RED系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，所以最新的IEM開發(fā)和應(yīng)用至關(guān)重要。然而，要使RED成為具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的可再生能源，其輸出功率密度至少達(dá)到5.0 W m-2的標(biāo)準(zhǔn)，以滿足海/河水系的工業(yè)發(fā)展要求。因此，組裝高性能、應(yīng)用廣泛的薄膜材料，從鹽度梯度中提取動(dòng)力，是很有必要的。在天然一維（1D）組件中，β-折疊的蠶絲納米纖維（SNF）具有優(yōu)異的機(jī)械性能，在生物醫(yī)學(xué)、紡織品等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。在這些結(jié)構(gòu)中，-OH和-NH基團(tuán)構(gòu)成親水結(jié)構(gòu)域，而-CH基團(tuán)構(gòu)成疏水結(jié)構(gòu)域。
基于此，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所的聞利平研究員、孔祥玉和江雷院士等人報(bào)道了一種用于收集滲透能的分層納米流體裝置，該裝置主要由連接電化學(xué)電池兩個(gè)隔室和循環(huán)溶液的GO/SNF/GO薄膜組成。當(dāng)該裝置運(yùn)行時(shí)，在由復(fù)合膜分隔的兩種溶液的界面處會(huì)出現(xiàn)化學(xué)勢(shì)梯度，因此可以將滲透勢(shì)轉(zhuǎn)換為電能。此外，作者還采用了一種簡(jiǎn)便的真空過濾策略構(gòu)建了柔性復(fù)合薄膜，該薄膜由2D GO納米片和1D SNF交聯(lián)組成，可以用作納米級(jí)鎖。所制的GO/SNF/GO薄膜保留了所需的多層夾心結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，在鹽水中具有出色的長期穩(wěn)定性。通過混合天然海水和河水，該復(fù)合薄膜的滲透能轉(zhuǎn)換功率密度達(dá)到5.07 W m-2（超過5.0 W m-2）。此外，由于離子移動(dòng)范圍和電極反應(yīng)活性的提高，熱場(chǎng)作為輔助因素有助于提高輸出功率密度，在50?℃時(shí)，可以提高77.5％。總之，實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果都為利用熱滲透流策略改善滲透能轉(zhuǎn)換的潛力提供了證據(jù)。
【圖文解讀】
研究發(fā)現(xiàn)，GO/SNF/GO復(fù)合薄膜在364 MPa拉伸強(qiáng)度下，最佳SNF含量為78.7 wt％。將SNF含量從0增加到82.2?wt％時(shí)，GO/SNF/GO薄膜的韌性從1.01增加到12.51 MJ m-3、拉伸強(qiáng)度從52增加到364.2 MPa，最佳SNF含量為78.7?wt％。對(duì)比天然絲、天然珍珠質(zhì)和其它GO基復(fù)合材料，GO/SNF/GO薄膜具有優(yōu)異的性能，并且在拉伸強(qiáng)度和韌性之間有更好的平衡。此外，利用全原子分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬來了解SNF含量對(duì)機(jī)械性能的影響。結(jié)果表明，SNF與GO表面之間的界面非鍵能和氫鍵顯著增加，直至SNF的質(zhì)量比為77.8％。但是，由于排斥相互作用，GO薄板和SNF之間的氫鍵和非鍵相互作用能以較高的質(zhì)量比被削弱。
作者利用GO/SNF/GO薄膜（SNF含量為78.7 wt％）在電化學(xué)電池中進(jìn)行離子電流-電壓（I-V）測(cè)量，以了解跨膜離子傳輸?shù)谋举|(zhì)。在暴露于密閉環(huán)境的不同pH條件下，相應(yīng)的電流在60 min內(nèi)均呈現(xiàn)連續(xù)輸出，表明跨膜離子傳輸穩(wěn)定。同時(shí)，電導(dǎo)率還取決于鹽濃度，并在低鹽濃度（接近10-4?M）時(shí)達(dá)到飽和。作者還發(fā)現(xiàn)通過pH值可以調(diào)節(jié)表面電荷密度，從而改變離子跨膜的行為。此外，電導(dǎo)率隨pH值的增加而增加，表明在GO/SNF/GO薄膜表面上累積了其它負(fù)電荷。SNF極大增加了復(fù)合薄膜中的負(fù)電荷，從而促進(jìn)了陽離子的轉(zhuǎn)運(yùn)。需注意，當(dāng)鹽濃度梯度從1-104時(shí)，滲透電流（IOC）保持輕微增加，但當(dāng)鹽濃度梯度超過104時(shí)，IOC急劇增加，電阻從5630?kΩ到238.6?kΩ。通過從不同濃度的電極-溶液界面中減去Eredox來獲得實(shí)際的滲透壓，隨著鹽梯度從10增加到5×106，能量轉(zhuǎn)換效率從14.7％下降到7.5％。
在薄膜的表面和橫截面上進(jìn)行能量色散X射線光譜（EDX）映射，發(fā)現(xiàn)其具有離子收集的功能，特別是由于表面負(fù)電荷導(dǎo)致的陽離子的收集。利用電子負(fù)載電阻器RL將功率傳輸?shù)酵獠侩娐穪碓u(píng)估滲透功率輸出，發(fā)現(xiàn)輸出功率密度先增加，后穩(wěn)定超過兩周，具有長期穩(wěn)定性。隨著測(cè)試時(shí)間的延長，還觀察到了產(chǎn)生的滲透電流的強(qiáng)烈增加。作者利用三個(gè)鹽度梯度（0.01 M/0.05 M、0.01 M/0.5 M和0.01 M/5 M）來研究滲透能轉(zhuǎn)換，隨著負(fù)載電阻的增加，外部電路的電流密度會(huì)全部降低。對(duì)于5、50和500倍鹽度梯度，記錄的功率密度分別達(dá)到0.62、5.07和16.2 W m-2的值，相應(yīng)的滲透能轉(zhuǎn)換效率分別為44.3％、27.2％和16.4％。需注意，文中器件達(dá)到以下目標(biāo)：對(duì)于海/河水系統(tǒng)，功率密度應(yīng)達(dá)到至少5.0 W m-2的標(biāo)準(zhǔn)。該復(fù)合薄膜對(duì)于高鹽度溶液，最大輸出功率密度可達(dá)到16.2 W m-2。
作者采用了熱場(chǎng)作為輔助因子以進(jìn)一步提高滲透能轉(zhuǎn)換效率。在熱滲透流系統(tǒng)中，溫度范圍為-20℃-50℃，且該器件在環(huán)境溫度低至-10℃時(shí)執(zhí)行工作。隨著溫度升高到40℃以上，在50倍鹽度梯度下，輸出功率密度迅速增加到9 W m-2。此外，通過這些發(fā)現(xiàn)，作者獲得了利用低溫?zé)崮芨纳茲B透能轉(zhuǎn)化的途徑。需注意，發(fā)電廠和太陽能電池板可以在較低的溫度范圍內(nèi)提供大量的熱能，這種熱能的使用范圍也更廣，獲得難度也較小。因此，將滲透和低度熱量相結(jié)合可以進(jìn)一步改善功率輸出性能。
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