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，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)競爭力的可再生能源，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，在由復(fù)合膜分隔的兩種溶液的界面處會出現(xiàn)化學(xué)勢梯度，因此可以將滲透勢轉(zhuǎn)換為電能。此外，作者還采用了一種簡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，由于離子移動范圍和電極反應(yīng)活性的提高，熱場作為輔助因素有助于提高輸出功率密度，在50?℃時，可以提高77.5％。總之，實驗和理論結(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，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，利用全原子分子動力學(xué)（MD）模擬來了解SNF含量對機(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，電導(dǎo)率還取決于鹽濃度，并在低鹽濃度（接近10-4?M）時達(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，滲透電流（IOC）保持輕微增加，但當(dāng)鹽濃度梯度超過104時，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。隨著測試時間的延長，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全部降低。對于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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