北工大Nano Energy：二維溫度門控陽離子通道應用于可控滲透能收集

【引言】

哺乳動物通過激活初級感覺神經元中的溫敏型瞬態受體電位（thermoTRP）陽離子通道來感應溫度。當環境溫度達到高溫閾值時，一些thermoTRP離子通道發生構象變化打開通道選擇單價陽離子和二價Ca²⁺通過，細胞膜兩側形成的離子濃度梯度可以產生動作電位促進神經元電信號傳導。生物thermoTRP離子通道的溫控電信號的特性為滲透能的可控收集提供了新的思路。海水和淡水之間的離子濃差被認為是一種極具前景的可再生能源，常被稱為藍色滲透能。目前，基于陽離子選擇性納米通道的反電滲析技術是收集該能源的重要技術之一。然而，當前的研究大多集中于通過納米通道功能化提升其滲透能轉化效率，這些體系的能量收集和輸出通常是不可控的。因此，模仿生物thermoTRP離子通道的溫控電信號輸出特性，構筑能量輸出可控的滲透能收集器件具有重要意義。

【成果簡介】

??????? 北京工業大學張倩倩教授等人受生物thermoTRP離子通道啟發，發展了一種具有二維納米孔道結構的溫度門控陽離子通道薄膜，基于其構筑的濃差電池可通過溫度外場對滲透能收集和能量輸出進行可控調節。通過精心設計，他們采用二維納米片功能化預處理結合重構自組裝法，構筑了兩種功能分子修飾的蒙脫土基二維納米通道薄膜。一方面，電負性聚丙烯酸分子的引入有效提升了納米通道表面負電荷密度和水溶液浸潤性，以獲得優異的陽離子選擇性用于滲透能收集；另一方面，通過溫敏性二十八烷基二甲基溴化銨功能物進行孔道修飾，利用高低溫條件下分子鏈構型的變化實現溫度對納米通道孔徑的調控，進而獲得可控的滲透能收集和輸出。該工作將仿生人工納米通道的智能外場響應特性引入濃差電池體系，這一概念將為藍色滲透能的可控收集和利用提供新的途徑。該成果以題為“Biomimetic temperature-gated 2D cationic nanochannels for controllable osmotic power harvesting”發表在能源領域重要期刊Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1. 模仿生物thermoTRP離子通道構筑的二維溫度門控陽離子通道及其滲透能收集系統示意圖

圖2. 二維溫度門控陽離子通道的形貌表征

圖3. 二維溫度門控陽離子通道的陽離子選擇性研究

圖4. 二維溫度門控陽離子通道應用于滲透能收集

圖5. 基于二維溫度門控陽離子通道的滲透能收集系統的可控能量收集和輸出

【小結】

綜上，作者首次提出仿生溫度門控陽離子通道應用于滲透能可控收集的概念，發展了具有優異的陽離子選擇性和溫度門控功能的蒙脫土基二維納米通道，基于其構筑的濃差電池最大輸出功率約為0.15 W/m²，距目前報道的最高值仍有一定距離，但是其能量輸出可以通過降低膜電阻來提升。在30 ^oC和60 ^oC的溫度外場調控下，體系輸出電流的比值可達到9，且電流切換具有良好的可逆性和穩定性。該工作的研究思路和構筑方法為開發具有智能開關功能的新型濃差電池提供新的見解。

文獻鏈接：Biomimetic temperature-gated 2D cationic nanochannels for controllable osmotic power harvesting. Nano Energy, 2020, DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105113a.

張倩倩，北京工業大學校聘教授。2015年博士畢業于北京航空航天大學，導師為翟錦教授和劉兆閱副教授，隨后以“卓越百人計劃”在北航刁訓剛教授團隊進行博士后研究工作，2018年入職北京工業大學材料科學與工程學院，獲得“優秀人才計劃”支持。

張倩倩教授近年來專門從事具有離子輸運調控功能的納米通道薄膜的設計制備，及其在能源轉換和電致變色兩種離子型器件中的應用研究。作為項目負責人承擔國家自然科學基金、北京市自然科學基金項目等共6項。目前，在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy和Adv. Sci.等重要學術期刊發表研究論文40余篇，研究工作多次被選作期刊封面報道。

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。?