隨著全球能源危機的加劇和氣候變化、人口增長的挑戰，開發和利用可再生能源已成為緊迫任務。滲透能，也稱為藍色能源，因其巨大的儲量和可持續性而備受關注。這種能源來源於不同溶液之間的鹽度梯度差異。自然界中，某些生物體已經進化出利用這種離子濃度梯度的卓越系統。例如，電鰻能夠利用電細胞產生超過600伏的電壓，這基於鈉和鉀離子在鈉和鉀離子泵中的快速交換。受電鰻啟發，研究人員構建了眾多奈米流體通道來收集滲透能。儘管這些通道已顯示出可觀的輸出功率密度，但繁瑣的製備過程和高成本可能阻礙了它們的規模化和更廣泛的應用。在過去十年中，二維奈米流體膜已成為收集滲透能的有前景途徑。與傳統的奈米流體通道系統相比，二維奈米流體膜因其簡便的製造和易於化學改性而顯示出巨大優勢。然而，進一步的能量轉換效能提升仍受限於滲透性和選擇性之間的權衡效應。
在這項研究中，研究人員提出了一種奈米限制犧牲模板（NST）策略，用於在膜內建立精心設計的通道結構，稱為圖靈型奈米通道。透過使用銅氫氧化物奈米線作為犧牲模板，在層間形成了外部交織通道。這些圖靈型奈米通道顯著增加了傳輸路徑和功能區域，使得離子電流提高了23%，同時保持了0.91的陽離子選擇性。圖靈型奈米通道膜的輸出功率密度從3.9增加到5.9 W/m²，並且至少穩定運行了120小時。該膜在中國真實鹽水環境中展現出增強的適用性，在自然海水中實現了7.7 W/m²的輸出功率密度，在鹽湖滷水中實現了9.8 W/m²的輸出功率密度。這項工作展示了圖靈通道設計在奈米限制離子傳輸能量轉換領域的應用潛力。
圖1 圖靈型奈米通道二硫化鉬複合膜（TNC-MCM）的製備過程和內部結構示意圖。圖靈型奈米通道的大小約為6奈米。
圖2 CHNs的SEM影象、尺寸分佈、TEM影象、AFM影象；MoS2奈米片的SEM影象、尺寸分佈、TEM影象、AFM影象；以及TNC-MCM的光學影象和截面SEM影象。
圖3 TNC-MCM的跨膜離子傳輸行為示意圖；不同濃度KCl電解質下的I-V曲線；不同電解質濃度下的離子電導測量；在1000倍鹽濃度梯度下的離子傳輸行為示意圖；不同濃度梯度下的擴散電壓和電流；不同pH值下TNC-MCM的I-T曲線；MCS和TNC-MCM在不同鹽溶液中的離子電導。
圖4 傳統堆疊層狀MoS2膜和TNC-MCM的離子傳輸比較；MCS和TNC-MCM在50倍NaCl濃度梯度下的I-V曲線；MCS和TNC-MCM在50倍NaCl濃度梯度下的輸出功率密度和電流密度；CHNs懸浮液體積對Voc和Isc的影響；CHNs懸浮液體積對輸出功率密度的影響；不同NaCl鹽度梯度下TNC-MCM的I-V曲線；不同NaCl鹽度梯度下TNC-MCM的輸出功率密度；MCS和TNC-MCM在不同pH值下的表面zeta電位。
圖5 TNC-MCM在不同自然海水和鹽湖滷水中的輸出功率密度；TNC-MCM在50倍濃度梯度下的長期穩定性；圖靈型膜與報道的層狀微米級2D膜的輸出功率密度比較。
研究人員透過NST策略成功地在二硫化鉬（MoS2）膜中建立了圖靈型奈米通道，顯著提高了滲透能轉換效率。與傳統的二維層狀膜相比，TNC-MCM展現出更高的離子通量和選擇性，實現了5.9 W/m²的輸出功率密度，比原始MoS2複合膜高出約50%。此外，TNC-MCM在廣泛的pH範圍內保持高輸出功率密度，適用於特定環境的應用。由於其獨特的通道結構，TNC-MCM在各種真實海水環境中展現出卓越的效能，使用自然海水和鹽湖滷水作為電解質時，輸出功率密度可達到7.7和9.8 W/m²。這項研究強調了膜通道結構設計在滲透能收集中的關鍵作用，併為其他二維層狀奈米流體膜的結構最佳化和創新提供了靈感。
本文來自“材料研究進展”。
