木材作为最为广泛的可再生材料之一，在诸多方面得到了广泛的应用。由于其天然获得，无污染，可再生，具有一定机械强度且加工成型容易的优势，使其在房屋建筑，制造家具，乐器等方面得到了广泛的应用。但是这些大都是作为结构材料构筑宏观结构，对于其微观上长程有序的微纳米结构应用的研究还较少，而这将是一个巨大宝库。
在全球碳达峰，碳中和的大趋势下，从环境中获取清洁能源得到了极大的关注和深入的研究。如纳米摩擦发电机，温差发电，浓差发电等。而在江河入海处，淡水与海水之间的浓度差也是一个巨大的能源宝库。在这一过程中，纳米流体膜即成为整个浓差发电机的关键材料。因而如何简单高效低成本的大规模制备在跨膜发现存在大量纳米微孔的纳米流体膜仍然是一个巨大的挑战。
为此美国马里兰大学的胡良兵教授，从最简单的木材出发，利用水凝胶原位聚合的方法，构筑了一种高离子透过性高机械性能的纳米流体膜，并应用与盐浓差发电机。相关成果以“Scalable Wood Hydrogel Membrane with Nanoscale Channels”为题发表在美国哈化学会《ACS Nano》上。
离子渗透膜的制备
首先通过木材加工中最为常用的旋切的方法，将圆木旋切成为木材薄片，称为片材。将木材利用木质素脱除法，去除了大部分半纤维素和部分木质素，而后浸透于水凝胶预聚液中，而后通过原位聚合的方法，将PVA/PAA水凝胶聚合于木材的纳米空洞中。之后通过观察发现，在木材微米级（管胞通道为15-70 μm；大脉管通道为170-400 μm）的孔中，聚合水凝胶，水凝胶也包含纳米级别（直径为50-275 nm 平均直径为132.3 nm.）的孔洞，实现微米及纳米的复合结构为离子通过，提供孔道。在孔道内的水凝集可以与木材形成氢键相互作用，以保证其结合强度。
a-c，天然木材内部的SEM图像；d，木材切片的实物图，f-g，木材孔道内部水凝胶的SEM图像；i，天然木材与木材-水凝胶膜的FT-IR光谱；j， pH值7下天然木材和木材-水凝胶膜的电位；k，木材与PVA/PAA链之间示意图。
离子渗透膜的离子透过率及机械强度
当木材沿着垂直于纵向切片时，木材-水凝胶中离子的跨膜转运主要沿排列的纤维素纤维方向进行径向（R）传导。相反，当木材沿着平行于纵向方向切片时，木材-水凝胶中离子的跨膜转运主要是沿着对齐的纤维素纤维的方向纵向（L）传导。由于木材本身的各向异性，天然木材的离子传导性能也存在着明显的各向异性，在低盐浓度(低于0.1 mM)下天然木材在R方向的离子电导率约为4.33X10 -5 S cm -1，是L方向1.98X10 -5 S cm -1的两倍。木材-水凝胶体系中，相互连通的三维多孔结构以及其表面羧基与羟基有效的提高了其离子传输效率。机械强度也有显著的提升，在木材-水凝胶膜在L方向上的拉伸模量也可以达到15.4 MPa。水凝胶与木材的结合，二者协同作用，结合二者优点，获得了一种新型高机械强度的离子透过膜。
a,木材-水凝胶的光学照片；b，离子透过示意图；c，d，不同木材基质条件下离子的透过率；e，f，木材及木材-水凝胶在不同方向上的应力-应变曲线；g，水凝胶的应力-应变曲线；h，i，不同材料膜在R、L方向的离子电导率拉伸强度。
纳米流体膜应用于能量收集系统
实验结果表明，木材-水凝胶膜的I sc可以观察到从高浓度到低浓度的选择透过性，对K +要明显的强于Cl -的选择透过性，表明膜具有阳离子选择性。在浓度梯度下，木材-水凝胶膜和天然木材由于表面带负电荷，其扩散电流和电位具有相同的极性。在浓差梯度由10倍到1000倍的情况下，天然木材的电势由17 mV提高到84 mV，I sc则由0.15 μA提高到1.2 μA。在同样条件下，木材-水凝胶膜的电势由65 mV提高到125 mV，Isc则由1.1 μA提高到3.1 μA。离子的选择性是盐度梯度能量收集系统的关键，因为电位和电流来自于正负电荷分离。在1000倍盐浓度梯度下，木材-水凝胶膜的最大输出功率密度为0.56 mW m -2，是天然木材的近4倍。添加更多的AA可以有效的增加水凝胶的电荷密度，进一步提高功率密度。通过将AA含量从25 wt %增加到50 wt %，输出功率密度可以从0.56增加到2.7 mW m -2。
a,实验装置示意图；b,c, 天然木材与木材-水凝胶膜在浓度比为1000倍条件下的I - V曲线；d,e,f, 天然木材与木材-水凝胶膜的开路电压Voc，短路电流Isc与功率密度f。
结论:作者利用木材作为模板，原位聚合PAA/PVA水凝胶构筑了一种高强度，高导电性、可扩展的三维多孔微结构的纳米流体膜。木材-水凝胶膜具有两个固有优势:(1)木材-水凝胶保留了大量纤维素纳米纤维结合水凝胶交联网络获得丰富纳米通道。(2)由于水凝胶中引入了丰富的COOH和OH官能团，获得了一个高负电荷密度的表面。这种木材-水凝胶膜在离子传输和机械稳健性之间达到了良好的平衡。在不丧失膜的结构完整性和强度的情况下，可以获得快速的跨膜离子转运。木材-水凝胶膜代表了一种可扩展的、绿色的、可再生的纳米流体材料，可以预见木材基材料在可持续能源收集方面具有广阔的前景。
--企业减碳--
--科研绘图--
来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！