王海輝教授團隊Angew：帶相反電荷的Ti3C2Tx MXene膜用于高效鹽差能發電

存在于海水和淡水之間的鹽差能被譽為是“藍色能源”，是一種清潔、可持續的能源，這種能源可再生、對環境無污染、零排放，并且與風能、太陽能等相比，鹽差能不會受到天氣、地理位置等客觀因素的影響，更加適合人類的發展。據報道，全球可利用的海水與河水的鹽差能高達2.6 TW，大約占據全球能源需求的20 %。我國海域遼闊，入海的江河眾多，徑流量巨大，蘊藏著豐富的鹽差能資源。如何利用海洋與陸地河口交界水域的鹽度差所蘊藏的巨大能量一直是科學家們的研究課題。近些年的研究表明，基于膜的反電滲析技術（RED）被認為是捕獲鹽差能最有效的手段之一。在RED技術中，最關鍵的部分就是膜，膜的離子選擇性傳輸能力直接決定了RED系統的發電性能。開發具有高效的離子選擇性傳輸能力的RED發電膜一直是研究者們追求的目標。

近日，華南理工大學華南理工大學王海輝教授團隊與德國漢諾威大學Jürgen?Caro教授合作，報道了一種基于帶相反電荷的具有納流控離子傳輸通道的Ti₃C₂T_x-MXene膜（MXMs）的滲透能發電機。該帶負電或帶正電的二維MXene納米通道具有典型的表面電荷控制離子輸運特性，并表現出優異的陽離子或陰離子選擇性。通過混合人工海水（0.5 M NaCl）和河水（0.01 M NaCl），所得到的最大功率密度高達4.6 W m^-2，高于大多數報道的最先進的基于膜的滲透能發電裝置，并且非常接近商業化的標準（5 W m^-2）。通過連接10個串聯MXMs堆棧，其輸出電壓可達1.66V，可直接為電子器件供電。這項工作證明了二維MXene膜在滲透能發電中應用的可能性，使這種藍色能源的捕獲變得切實可行。

【圖文導讀】

圖一?帶相反電荷的二維MXene膜對用于鹽差能發電的示意圖。 SW, 海水；RW, 河水。

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圖二?帶相反電荷的MXene膜的形貌及結構。

圖三 帶相反電荷的MXene膜組合對的反電滲析發電性能以及對應的Comsol仿真模擬。

圖四 串聯的MXene膜組合對的發電性能。

該論文題為：Oppositely Charged Ti₃C₂T_x?MXene Membranes with 2D Nanofluidic Channels for Osmotic Energy Harvesting

該文章第一作者為在站博士后丁力博士，共同通訊作者為華南理工大學王海輝教授和德國漢諾威大學Jürgen Caro教授。華南理工大學為該論文的第一單位。

論文全部作者為：Li Ding, Dan Xiao, Zong Lu, Junjie Deng, Yanying Wei,?Jürgen Caro*, Haihui Wang*

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201915993

資助來源：國家自然科學基金委，中國博士后科學基金?

王海輝教授，現任華南理工大學化學與化工學院教授，主要從事的研究方向包括在無機膜與膜分離，膜催化與膜反應器，新能源材料與器件。王海輝教授作為通訊聯系人，在Nature Sustainability、Nature Communications、Science?Advances、 Joule、Journal of American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials、AIChE Journal等國際頂級期刊發表學術論文超過200篇，引用萬余次，h指數為68，獲授權國家發明專利15項。王教授曾獲得國家自然科學二等獎、教育部自然科學一等獎、廣東省科學技術一等獎和侯德榜化工科技創新獎，他2003年入選德國洪堡學者, 2007年入選教育部新世紀優秀人才計劃，2011年入選廣東省珠江學者特聘教授，2012年獲得國家杰出青年科學基金，2015年入選科技部中青年科技創新領軍人才，2016年入選英國皇家化學會Fellow，2017年獲聘教育部長江學者特聘教授，2018年入選第三批國家“萬人計劃”科技創新領軍人才， 2018年入選廣東省特支計劃“杰出人才, 2019年獲得國務院政府特殊津貼。

王海輝教授團隊情況見課題組網站：http://www2.scut.edu.cn/cee/msem/