青島大學隋坤艷、劉學麗/中科院青能所高軍ACS Nano：光促多離子相互作用增強廢水鹽差發電

工業生產持續排放的大量廢水中含有豐富的滲透能（也被稱為鹽差能），高效提取該能量可降低水處理的能源和經濟損耗，進而有望同時實現廢水處理及廢水發電。然而，廢水鹽差發電挑戰很大，為實現高功率密度，它要求離子選擇性膜對目標離子具有高通量，同時，為避免環境污染，它又要求膜可以高效阻隔工業廢水中的重金屬離子。也就是說，克服離子選擇性膜材料普遍存在的滲透-選擇性博弈難題、同時實現目標離子的高通量高選擇性傳輸，是實現廢水鹽差發電的關鍵。

針對這一問題，青島大學隋坤艷教授、劉學麗副教授團隊與中國科學院青島生物能源與過程研究所高軍研究員團隊近期合作開展了系列工作。在前期研究中，設計得到高選擇性、高通量的二維蛭石鈉離子埃流通道，展示了該離子通道在廢水鹽差發電中的應用潛力（ACS Nano 2023, 17, 17, 17245–17253）。研究揭示，可利用亞納米限域和通道材料表界面性質調控解決以往納流膜材料普遍存在的離子滲透-選擇性博弈難題，為廢水鹽差發電材料的設計奠定了基礎。

在近期的工作中，研究人員進一步將材料設計拓展到宏觀膜材料，并提出一種埃流通道內光促多離子相互作用策略，用以實現高通量高選擇性的鈉離子傳輸。實驗證明，在100 mW cm^-2的白光照射下（近似1太陽光照強度），通過利用MXene優異的光熱效應，可實現MXene層狀膜埃流通道內的光促鈉離子傳輸，相比無光條件下傳輸速率提高429%，通量可達62.6 mol m^–2?h^–1。有意思的是，錳、銅、鉛等重金屬離子的滲透反而降低，使得Na⁺/Mn²⁺、Na⁺/Cu²⁺、Na⁺/Pb²⁺的選擇比從幾百到高達2050，與無光時相比提高一個數量級以上（圖1、2）。

分子動力學模擬揭示，多離子相互作用是這一現象的內在機制（圖3），而該機制正是生物離子通道高效傳輸目標離子、實現其生理功能的關鍵策略之一。由于MXene的光熱效應，受光照后更多目標離子（Na⁺）進入通道內，傳輸速率提高。而進入的Na⁺越多，通道外其他帶正電的競爭離子所受靜電排斥作用就越強，使得競爭離子傳輸阻力越大，導致競爭離子滲透受到進一步抑制，從而同時提升了目標離子傳輸的通量及選擇性。基于上述結果，研究人員將MXene層狀膜應用于光促廢水鹽差發電，通過調節膜兩側鹽溶液濃度梯度，功率密度可達19 W m^-2（圖4），同時避免了廢水中重金屬離子的滲透及對另一側清潔水源的污染。

該工作展示了仿生多離子相互作用策略對高效離子傳輸的重要性，為先進分離膜材料的設計和優化提供了新思路，也為傳統高能耗廢水處理技術的革新提供了新選擇。研究成果以“Light-Augmented Multi-ion Interaction in MXene Membrane for Simultaneous Water Treatment and Osmotic Power Generation”為題發表于ACS Nano（ACS Nano 2023，Article ASAP，DOI: 10.1021/acsnano.3c08487）。文章第一作者為青島大學/青能所夏家香及青能所高宏飛。研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等的支持。

【圖文導讀】

圖1二維層狀MXene膜用于光促鈉離子選擇性傳輸。圖片來源：ACS Nano

圖2 MXene層狀膜光增強的鈉離子滲透性和選擇性。圖片來源：ACS Nano

圖3 MXene層狀膜埃流通道內的仿生光促多離子相互作用機制。圖片來源：ACS Nano

圖4 MXene層狀膜用于光增強的廢水鹽差發電。圖片來源：ACS Nano

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c08487