在河流入海口，由于海水和河水濃度差存在著鹽差能，作為一種儲(chǔ)量豐富的可再生清潔能源，有望緩解化石能源帶來的環(huán)境污染，全球變暖等問題。基于離子選擇性的膜的反電滲析電池是實(shí)現(xiàn)鹽差能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的最有前景方式。但是作為其中的核心部件——離子選擇性膜存在著離子通量小，無法實(shí)現(xiàn)鹽差能的高密度轉(zhuǎn)換（>5 W/m-2）的問題。
為了解決這一難題，江雷院士、高龍成副教授課題組向自然學(xué)習(xí)，借鑒了生命體中氯離子通道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在已有大面積制備高機(jī)械強(qiáng)度、高孔密度聚合膜的基礎(chǔ)上（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 13056; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8905），將超支化聚乙烯亞胺（PEI）分子精準(zhǔn)地修飾納米孔的端口處，構(gòu)筑了蘑菇形的不對稱納米孔陣列膜，該方法具有快速、精準(zhǔn)、可大面積制備等優(yōu)勢。
圖1. 高機(jī)械強(qiáng)度，超高孔密度，具有薄選擇層的不對稱膜的制備路線
通過原子力顯微鏡測試發(fā)現(xiàn)在水溶液中PEI發(fā)生溶脹，形成3D空腔網(wǎng)絡(luò)，為離子傳輸提供通道。通過“標(biāo)度理論”分析，每個(gè) “蘑菇帽”表面含有數(shù)十個(gè)離子傳輸通道，因此，不對稱納米孔膜的離子通道密度達(dá)到1012 cm-2。不對稱膜表現(xiàn)出優(yōu)異的離子二極管行為，有效的抑制了濃差極化，實(shí)現(xiàn)了高效的鹽差能轉(zhuǎn)換，功率密度達(dá)到22.4 W/m-2。這種利用單分子層構(gòu)建不對稱薄膜的理念為海水淡化、離子篩分和鹽差能轉(zhuǎn)換等隔膜的設(shè)計(jì)提供了新思路。
圖2. 空氣和水下原子力顯微鏡測試驗(yàn)證不對稱膜具有超高的孔密度
該工作發(fā)表在Science Advances（Sci. Adv. 7, eabg2183 (2021)）。論文第一作者是北航化學(xué)學(xué)院李超博士，通訊作者為高龍成副教授。該工作得到江雷院士的指導(dǎo)和聞利平研究員的大力支持。
原文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/21/eabg2183
