Angew. Chem. ：基于双埃级限域工程的仿生Ti0.87O2纳米膜助力高效渗透能发电

全球海水和河水之间的渗透能是一种天然的，取之不尽的蓝色能源，数量巨大且可能满足人类对能源的大部分需求。反向电渗析技术是捕获这种清洁能源的有效方法，而选择透过膜是反向电渗析技术的关键组件。在过去十年中，纳米流体通道系统作为高性能渗透能产电器件吸引了许多研究学者的关注。

然而，其输出功率密度受到离子选择性和离子渗透性之间权衡的阻碍。尽管已经研究了一些主要的策略来打破上述权衡，但目前还缺乏一种直接有效的策略来开发同时提高离子选择性和离子渗透性的选择透过膜。因此构建可以在离子选择性和离子渗透性二者之间达到平衡的高性能选择透过膜是科研人员努力的方向。

近日，南京理工大学的朱俊武教授、熊攀教授和悉尼科技大学的汪国秀教授合作，受生物细胞膜中双埃级限域离子通道的启发，仿生制备了一种基于Ti_0.87O₂纳米片的双埃级限域选择透过膜（DAC-Ti_0.87O₂）用于高性能渗透能发电。

在DAC-Ti_0.87O₂中，Ti_0.87O₂纳米片上的原子级Ti空位（3.8 Å×3.0 Å）可以作为第一种埃级限域孔道来促进离子的有效运输。同时，DAC-Ti_0.87O₂的亚纳米自由层间距（~2.2 Å）被认为是进一步增强离子传输的第二种埃级限域通道。因此，与传统的选择透过膜相比，DAC-Ti_0.87O₂可以提供更多的埃级限域通道，同时提高离子的渗透性和选择性。

同时，DFT理论计算和有限元模拟也表明，这种双埃限域离子通道不仅对Na离子产生有利的限域效应，使其具有高离子选择性，而且与Na离子产生强相互作用，有利于提高离子渗透速率。此外，得益于双埃限域离子通道膜的精确设计，我们进一步提出并论证了双埃限域离子通道离子脱水的可能机制。

最终，当其应用于渗透能发电机时，DAC-Ti_0.87O₂在50倍NaCl梯度下实现了高达17.8 W m⁻²的功率密度，在500倍NaCl梯度下实现了114.2 W m⁻²的功率密度，优于大部分宏观尺度纳米流体膜，是商业基准（5 W m⁻²）的三倍多。该工作为纳米流体能源系统中设计高性能选择透过膜提供了新的思路。

论文信息

Bio-inspired Double Angstrom-Scale Confinement in Ti-deficient Ti_0.87O₂ Nanosheet Membranes for Ultrahigh-performance Osmotic Power Generation

Chao Liu, Caichao Ye, Tianning Zhang, Jiheng Tang, Kunpeng Mao, Long Chen, Liang Xue, Jingwen Sun, Wenqing Zhang, Xin Wang, Pan Xiong, Guoxiu Wang, Junwu Zhu

文章的第一作者是南京理工大学的博士研究生刘超和南方科技大学的叶财超副研究员。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202315947