Nat. Nanotechnol.: COF單層膜用于高效滲透發電

famous程 1年前 (2022-05-12) 2064瀏覽

一、【導讀】

滲透能（Osmotic power），是由不同濃度的鹽溶液混合時產生的，是一種可規模化、可持續的清潔能源，也被稱為“藍色能源”。在濃度梯度的驅動下，正負離子通過選擇性透過膜的速度不同，膜兩側會產生電勢差，從而在外電路產生電流。滲透能的收集效率，即滲透發電效率主要取決于選擇透過性膜的性能，即離子電導性以及對正負離子的透過選擇性。其中，表面帶電的超薄二維材料，如氮化硼、二硫化鉬、石墨烯等由于較低的膜電阻，是用于滲透發電的理想材料。但是傳統的二維材料難以獲得高密度、尺寸均勻的納米孔；并且低的膜電阻會導致不可避免的濃差極化現象，特別是孔密度增加時，膜兩側的濃度差難以保持，會引起滲透電壓和電流的快速下降。因此，如何制備具有高孔密度和均勻孔尺寸的選擇性透過膜，在保證離子選擇性的基礎上提高離子電導性是實現高效滲透發電的關鍵。

二、【成果掠影】

近日，國家納米科學中心的唐智勇與李連山研究員（共同通訊作者）等人，利用具有有序孔排列的共價有機框架（COF）單層膜實現了極低的膜電阻和超高的離子電導率。將制備的COF單層膜用于混合人工海水/河水的滲透發電，可以獲得超過200 W m-2的前所未有的輸出功率密度。這項工作開辟了原子級精確結構的多孔單層膜在滲透發電中的應用。相關研究成果以“Advancing osmotic power generation by covalent organic framework monolayer”為題發表在Nature Nanotechnology期刊上。

三、【核心創新點】

  1. COF材料具有高的孔密度和均勻的孔尺寸，通過預組裝界面聚合反應制備的COF單層膜可以實現超低的膜電阻，提高離子電導性和電流密度。
  2. COF膜中相鄰納米孔間的孔-孔耦合效應可以有效抗衡膜兩側的濃差極化，抑制電流電壓的下降。
  3. 將制備的COF單層膜應用于混合人工海水/河水的滲透發電，可以獲得高達200 W m-2的輸出功率密度。

四、【數據概覽】

圖1. COF單層膜的形貌和結構表征 ? 2022 Springer Nature

（a）鹽濃度梯度驅動下離子穿過COF單層膜的示意圖。

（b）基于密度泛函理論計算的ZnTPP-COF模擬結構。

（c）ZnTPP-COF單層膜的SEM圖像。

（d）ZnTPP-COF單層膜的AFM高度圖像。

（e，f）大范圍（e）和高分辨（f）的ZnTPP-COF單層膜的STM圖像。

圖2. 跨膜離子電流和電壓表征? ? 2022 Springer Nature

（a）0.1?M KCl溶液中COF單層膜的電流-電壓曲線（膜支撐基底SiNx片含2 μm寬的單孔）。

（b）不同濃度梯度比的KCl溶液中COF單層膜的電流-電壓曲線（CH，CL分別代表高低濃度）。

（c）滲透電流（Ios）與滲透電壓（Vos）與濃度梯度比之間的函數關系。

（d）通過跨膜離子遷移數（t+）確定離子選擇性。

（e）中心單孔的模擬Ios與KCl濃度梯度比的函數關系。

（f）COF單層膜實驗測得的Ios與模擬值的比較。

圖3. NaCl溶液中的滲透發電 ? ? 2022 Springer Nature

（a）0.5?M NaCl/0.01?M NaCl溶液中COF單層膜的電流-電壓曲線。

（b）0.5?M NaCl/0.01?M NaCl溶液中的電流密度和輸出功率密度對外部負載電阻的依賴關系。

（c）使用ZnTPP-COF單層膜的滲透發電性能與文獻報道的其他優異結果進行對比，主要包括膜厚、孔密度、輸出功率密度等方面。

圖4. 多價離子電解液中滲透發電性能的提高 ? ? 2022 Springer Nature

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（a）不同電解液中ZnTPP-COF單層膜的輸出功率密度。

（b）滲透電流（Ios）與滲透電壓（Vos）與陽離子擴散系數之間的函數關系。

（c）人工海水/人工河水混合溶液中的電流密度和輸出功率密度對外部負載電阻的依賴關系。

（d）最大輸出功率密度條件下ZnTPP-COF單層膜的電流密度-時間曲線。

（e）ZnTPP-COF，NiTPP-COF和CuTPP-COF單層膜在0.5?M NaCl/0.01?M NaCl溶液、人工海水/人工河水溶液中的Ios與Vos的總結。

（f）ZnTPP-COF，NiTPP-COF和CuTPP-COF單層膜在0.5?M NaCl/0.01?M NaCl溶液、人工海水/人工河水溶液中的輸出功率密度的總結。

五、【成果啟示】

本工作中， COF單層膜的高孔密度和均勻孔尺寸，可以實現超低的膜電阻，同時相鄰孔間的孔-孔耦合效應可以有效抗衡膜兩側的濃差極化。另外，利用COF結構的多樣性和精確可控性， COF單層膜不僅可應用于高效的滲透發電，而且有望為其他低阻膜的應用提供新的研究思路，例如氣體分離、離子篩分、質子傳導、海水淡化、蛋白質純化等，具有十分重要的研究價值與意義。

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