中科院理化所AEM：新型仿生熱電轉換體系——通過離子流定向通過錐形納米通道陣列收集低品位熱能

【引言】

在能源危機的背景下，低品位熱源（<100 ℃， 簡稱為LGH）作為擁有巨大儲量而尚未開發的能源受到越來越多的關注。例如，在發電廠和金屬冶煉廠的冷卻過程中，作為LGH很大一部分的余熱，通常以加熱的河水或海水這種冷卻水的形式儲存起來。科學家通過采用半導體熱電材料和熱電化學器件，努力提取這些儲存的能量。然而，為了實現LGH能量的大規模轉換，材料或裝置必須以成本低效益高和耐受性好來對解決潛在的腐蝕和電解質在水環境中的對材料的消耗。因此，開發結構簡單，在水環境中具有高性能的LGH收集系統仍然是挑戰。???????????????

人體皮膚是一種復雜的感覺系統，其中包含各種感覺器官。每個感受器控制著生物體的一小部分，并將觸覺信息編碼以動作電位傳導至大腦。例如，外部熱刺激可以通過在皮膚熱感受器細胞中的溫敏瞬時受體電位通道（或thermo-TRPs）被轉化為一系列動作電位。但是由于生物離子通道的脆弱性限制了這些納米通道在能量轉換等領域中的應用，而仿生智能納米通道（BSN）因其具有良好的可調幾何形狀和化學性質而越來越多地被開發用于清潔能源捕獲。通過使離子流定向運動，BSN在過去的幾十年里已被用于來收集鹽梯度能，太陽能和自發過程誘導能。雖然疏水納米多孔膜已被報道用于LGH的能源的捕獲，但是外部電源（壓力）的使用可能會降低其效率。因此，模擬thermo-TRP通過定向離子流來收集能量具有重要意義。

【成果簡介】

近日，中國科學院理化技術研究所聞利平研究員課題組（通訊作者）相關論文“Skin‐Inspired Low‐Grade Heat Energy Harvesting Using Directed Ionic Flow through Conical Nanochannels”發表在能源期刊Advanced Energy Materials（影響因子：16.72）上，第一作者謝柑華博士。低品位熱能無處不在，其中大部分能源都是作為熱河水或海水而開發的。 因此，在能源危機的情況下，通過使用簡單的低成本設備來提取儲存的能量是有意義的和有價值的。通過使用BSN來模擬生物熱感應過程，在無需外部電源的情況下，系統可以直接進行熱電轉換。而外界溫度刺激可以通過人造離子通道轉換成電信號，即熱量可以通過BSN的系統收集。 該仿生體系在膜溫度梯度（ΔT）為40 ℃時，其功率密度理論上可以達到88.8 W m^-2。 這種熱電轉換裝置為低品位熱收集提供了新的平臺，可以擴展電子皮膚領域并在皮膚假體中找到應用。

【圖文解析】

圖1.仿皮膚的LGH收集系統實驗裝置和熱電行為。A）仿生熱電轉換裝置示意圖。具有錐形仿生納米通道的PI聚合物膜用于分離具有不同溫度的溶液，其中納米通道的小口端一側是高溫（Th）溶液。 B，C）仿生納米通道的掃描電子顯微照片頂視圖和橫截面視圖。比例尺，200納米。 D）快速測試熱電現象Th（40 ℃）> Tc（25 ℃），觀察到明顯的動作電流。

圖2. A）電流，B）電壓和C）輸出功率與電解質濃度關系，實驗條件：Th = 65 ℃，Tc = 25 ℃，和d_tip = 11.27 nm。 他們峰值的位置在≈1 M。 除非另有說明，實驗中使用的電解質濃度為1 M。

圖3. 基于BSN的系統的熱電特性。A，B）正向和反向示意圖說明。C）電流，D）電壓，以及E）輸出功率與溫度梯度在正向和反向情況下的關系。實驗條件：Tc = 25 ℃，d_tip = 11.27 nm，C =1 M。

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圖4. 基于BSN的熱電轉換系統的理論模擬。A-C）擴散電流，陽離子轉移數量，和表面電荷密度之間的關系。 D）擴散電流與陽離子轉移和電荷密度函數的三維示意圖。 E）錐形通道和圓柱形通道在高溫熱液的一側Cl^- 濃度的比較。 不對稱通道有助于抑制濃度極化。 F），該仿生熱電轉換體系的電流與溫度梯度的在理論和實驗中關系比較。

圖5. 基于BSN的LGH能量收集器的原型。A，B）柔性收集器的示意圖和照片。 C）柔性能量收集器產生的功率與溫度梯度的關系的。 D）溫度梯度與動作電流之間的關系。該自發產生的動作電流與外部溫度的刺激密切相關。 E）廢熱收集系統的循環測試。 經過幾十次循環之后仍然表現出穩定的性能。

【總結與展望】

總之， 受人體皮膚啟發，我們構筑了基于BSN的熱電轉換系統，實驗和理論結果表明，該體系可用于收集廢熱，在溫度梯度（ΔT）為40 ℃時，其功率密度可達88.8 Wm^-2。該設計思想為理解生物系統中的溫度感測過程提供幫助。

基金支持

作者感謝德國GSI提供的離子輻照樣品。該工作得到了國家重點研發計劃項目的支持（2017YFA0206900），國家自然科學基金（21625303，51673206和21434003）和中國科學院重點部署項目的支持（QYZDY-SSW-SLH014）。

團隊介紹：

仿生智能納孔膜團隊隸屬于中科院理化所仿生智能界面科學中心，目前該團隊已經培養出1名博士后，5名博士生；在站博士后2名，在讀博士生4名，碩士生4名。團隊主要圍繞仿生智能納孔膜的構筑及應用開展研究。目前發表相關方面的高水平的研究論文六十余篇，其中5次被選為期刊封面，研究成果被多家期刊或媒體做為亮點介紹。撰寫三本外文著作各一個章節，授權國家專利五項，主持或作為骨干主持多項基礎或重大研究計劃項目。

團隊近期文章：

1.Bioinspired Smart Asymmetric Nanochannel Membranes, Zhen Zhang, Liping Wen,* Lei Jiang, Soc. Rev. 2018, 47, 322-356.

2.Light- and Electric-Field-Controlled Wetting Behavior in Nanochannels for Regulating Nanoconfined Mass Transport, Ganhua Xie, Liping Wen,* et al. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 4552-4559.

3.Bioinspired Heterogeneous Ion Pump Membranes: Unidirectional Selective Pumping and Controllable Gating Properties Stemming from Asymmetric Ionic Group Distribution, Zhen Zhang, Ye Tian,* Liping Wen,* et al. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 1083-1090.

4.Biomimetic Peptide-Gated Nanoporous Membrane for On-Demand Molecule Transport, Kai Xiao, Liping Wen,* et al. Chem., Int. Ed. 2018, 57, 151-155.

5.Ultrathin and Ion-selective Janus Membranes for High-performance Osmotic Energy Conversion, Zhen Zhang, Liping Wen,* et al. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8905-8914.

6.A Tunable Ionic Diode based on Biomimetic Structure-Tailorable Nanochannel, Kai Xiao, Liping Wen,* et al. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 8168-8172.

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