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Angew. Chem. :二硫化钨仿生复合膜用于太阳能辅助渗透能转换2023-06-25
随着化石能源日益枯竭,人们迫切需要寻找新的可持续的新能源来应对能源危机和环境危机。由海水河水盐度差形成的渗透能,又被称为蓝色能源,以其储量大,日变化稳定,被视为理想的可再生能源。1954年,Pattle首次发现当海水与河水混合,会产生巨大能量。1975年,Loeb将选择性渗透膜与渗透能收集技术相结合,通过反向电渗析技术将渗透能直接转化为电能。

然而,目前商业离子交换膜高内阻导致其渗透能转换性能低,功率输出有限。而具有限域离子传输动力学的纳米流体通道膜有望实现高性能反向电渗析,从而高效提取渗透能。二维材料,由于具有天然层间通道,丰富的表面特性及良好的可加工性,被视为构筑纳流通道膜的理想单元,将其用于渗透能收集,为提高转换性能,通常需要对重构二维材料膜进行改性处理,过程复杂且成本高昂。

近日,中国科学院理化技术研究所闻利平研究员和中国科学技术大学化学与材料科学学院/苏州高等研究院张振教授合作,以典型的层状材料二硫化钨为研究对象,构建了具有仿浆膜结构复合膜用于太阳能辅助的高性能渗透能转换。

复合膜由二硫化钨纳米片和凯夫拉纳米纤维构成。凯夫拉的引入大大增强了复合膜机械性能和离子传输性能;二硫化钨具有良好的光响应特性,施加光照可以同步调控纳流通道膜表面状态(温度,电荷密度),构筑跨膜温度梯度和电荷梯度,共同促进阳离子跨膜传输。

 

 

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同时,有限元理论模拟进一步研究了外场对离子传输调控作用,揭示了纳流通道中外场协同机制:通过合理调节各外场参数(方向、强度)可以最大化结合各种外场调控优势,促进通道内离子定向迁移,实现“1+1>2”的效果。

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此外,复合膜自身具有良好的抗污和光照自洁性能,无需额外改性以减少膜污染,可以极大程度保留其渗透能捕获能力,有利于膜技术在水环境中的实际应用探索。

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该工作发展了可持续能源(太阳能,渗透能)耦合产能策略,并揭示了多外场在调控离子传输过程中的协同机制,为解决纳米流体能量转换及其他具有相似概念的应用(如离子筛分、脱盐等)中的问题提供了普适化策略。

文信息

Efficient Solar-osmotic Power Generation from Bioinspired Anti-fouling 2D WS2 Composite Membranes

Dr. Qingchen Wang, Dr. Yadong Wu, Dr. Congcong Zhu, Dr. Yuhao Hu, Dr. Lin Fu, Dr. Yongchao Qian, Dr. Zhe-Hua Zhang, Dr. Tingyang Li, Dr. Xin Li, Prof. Xiang-Yu Kong, Prof. Lei Jiang, Prof. Zhen Zhang, Prof. Liping Wen

文章的第一作者为中国科学院大学理化技术研究所王清晨博士,论文的通讯作者为中国科学院大学理化技术研究所闻利平研究员和中国科学技术大学化学与材料科学学院/苏州高等研究院张振教授。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202302938

 

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