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IF=71,江雷院士、闻利平教授《自然·综述·材料》:小小纳米流体通道实现高效渗透能转换

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高分子科学前沿 2021-04-16 13:42

存在于河水与海水之间的渗透压差是一种极具潜力的可再生能源。目前的渗透能量转换过程中,采用的主要是性能较低的商业离子交换膜,功率输出十分有限。而具有定制离子传输动力学的纳米流体通道能够实现高性能的反向电渗析,实现对可再生渗透能量的有效收集。

近日,中国科学院理化技术研究所江雷院士闻利平教授团队对离子在纳米流体通道中的扩散、先进膜结构的合理设计和优化进行了探讨。重点论述了如何调整结构和电荷分布,以减少膜电阻并促进能量转换。同时还研究了将纳米流体渗透能量转换与其他技术(如脱盐和水分解)相集成的可能性。最后,研究人员对未来的应用进行了展望,并讨论了实现大规模、实际应用所面临的挑战。该综述以“Nanofluidics for osmotic energy conversion”发表在《 Nature Reviews Materials》上。

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图1 在渗透能转换的纳米流体学的理论和实践里程碑

1.纳米流体通道

离子交换膜由于其易于获得、面积大、离子选择性高,长期以来一直是反电渗析技术研究的核心。然而,离子交换膜存在着离子通量通量低、能量转换能力低、容易堵塞等限制。而纳米流体通道的孔径为几十纳米,不仅促进跨膜离子通量,而且还能够缓解电荷极化和污染的负面影响。扩散-渗透输运在纳米流体通道离子扩散过程中起着重要作用。它是由离子与纳米流体通道表面的特定相互作用引起的,这种作用发生在有限厚度的德拜层内。而具有高表面电荷密度、大表面积和纳米通道尺寸的纳米流体渗透膜可以促进渗透功率的产生。

2.渗透能转换

渗透能的转换是通过离子在浓度梯度下通过带电膜选择性跨膜扩散实现的。两种典型的器件设计为半电池和全电池结构(图2c)。其基本原理可以用热力学来描述, 即浓度梯度导致的反离子在纳米流体通道内的净流动。

图2 用于渗透能转换的纳米流体通道

3.渗透能量转换材料

渗透发电材料需要在溶液中具有带电表面和较高的表面活性。作者总结了两种不同的表面充电原理,即表面基团可电离的材料和表面基团不可电离的材料,它们可以通过离子吸附、离子溶解、离子置换、氧掺杂和外部刺激诱导充电等多种机制在水中充电。

图3 表面充电原理

3.先进的渗透膜结构

选定的功能材料可以进一步加工和组装成具有集成功能的固体膜,用于不同的应用。具有多尺度结构的功能膜可采用多种方法制备,包括自组装、沉浸式生长、旋转和喷涂、电磁沉积和气相沉积以及真空过滤等。除了这种常用的多孔膜结构外,作者还总结了一系列先进的结构来增加渗透能量的转换,包括离子二极管渗透膜(Ionic diode membrane)、具有3D界面的渗透膜(Membrane with a 3D interface)、插层渗透膜(Intercalated membrane)、多层渗透膜(Multilayer membrane)、离子电缆渗透膜(Ionic cable membrane)以及直接生长在界面处的渗透膜(Membrane grown at an interface)等。

图4 先进渗透膜结构

4.促进渗透能转换

膜电阻是渗透能转化的关键。它包括膜本身的欧姆电阻和扩散边界层的非欧姆电阻。欧姆电阻是指离子传输路径引起的电阻,与膜厚有关。非欧姆电阻主要是由离子浓度极化引起的。通过多种途径降低膜阻力,可以促进渗透能的转化。作者总结了促进渗透能转换的各种策略,包括优化薄膜厚度、设计异质结和弱化孔隙间的相互作用等。

图5 促进渗透能转换

5.其他能量转换系统

浓度梯度代表了驱动离子从高浓度向低浓度迁移的化学势。同样,压力梯度代表了引起流体运动的驱动力,温度梯度则提供流体输送所需的电位差。由于跨膜驱动力的作用,众多系统都涉及到通过膜的选择性物质传输,因而受到离子浓度极化和膜电阻的影响。因此,上述方法也可以推广到基于渗透膜的化学势梯度驱动的能量转换系统中,包括光电能量转换、水力-电能转换、热电能量转换和热渗透的能量转换等。

图6 其他能量转换系统

6.与其他技术结合

反向电渗析堆栈由重复的阳离子选择性和阴离子选择性膜对组成,这些膜之间的电解质溶液浓度不同,导致两个电极之间存在着电位差。这种装置可以与其他装置和技术相结合,在海水淡化、水分解、微生物反向电渗析、闭环操作等领域极具应用潜力。

图7 与其他技术相结合

展望

与太阳能和风能相比,渗透能不受天气的影响。是一种很有前途的能源,适用于大型装置和小型便携式装置。渗透能量转换也可以与物联网传感器集成,作为额外的电源。在全球能源危机的背景下,利用纳米流体来获取渗透能需要跨学科的努力,来彻底改变能源的转换和使用。

来源:高分子科学前沿

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