北京工業大學張倩倩Nature子刊：資源友好型全天然2D納米流體膜助力零碳鹽差能量收集

【背景介紹】
鹽差能是一種儲量廣泛、環境穩定性強的新型清潔“零碳”能源，其基于不同濃度鹽溶液（如海水/河水）之間的化學位差獲取電能，整個發電過程無污染物和CO2排放。目前，以離子選擇膜為核心的反向電滲析技術是最具工業化前景的一種鹽差能發電技術。近年來，具有離子選擇特性的二維納流體膜在鹽差能發電方面展現出重要的應用潛力，多種該類型膜的鹽差能輸出功率實驗值已達到工業應用水平（5 W m?2）。自然界中，黏土材料具有天然層狀、本體帶電的特點，是構筑離子選擇性二維納流體膜的理想原料；此外，易于剝離、低成本和環境友好等優勢，使其在規模化鹽差能發電方面極具應用潛力。近年，北京工業大學張倩倩團隊與北京航空航天大學劉兆閱團隊合作，以天然蒙脫土為原料構筑了陽離子選擇性黏土基二維納流體膜，獲得了0.15 W m?2的鹽差能輸出，并利用溫敏分子功能修飾實現了能量輸出的智能溫控調節【Nano Energy, 2020, 76, 105113】。隨后，團隊通過芳綸納米纖維插層提升黏土基二維納流體膜的機械強度和孔道電荷密度，有效提升了鹽差能輸出功率（5.16 W m?2）和穩定性【Nano Energy, 2022, 100, 107526】。在此基礎上，采用纖維素納米纖維橋聯進一步提升黏土基二維納流體膜的結構穩定性和孔道空間電荷，構筑了兼具超薄高通量和高離子選擇性能的全天然二維納流體膜，并通過生命周期評價，分析了資源環境友好型原料使用對膜制造到滲透能量收集全鏈條綠色可持續發展的重要作用【Nat. Commun., 2024, 15, 3649】。
【工作簡介】
近日，北京工業大學張倩倩教授等人開發了一種纖維素納米纖維插層蒙脫土納米片基體的全天然二維納流體膜，并創新地采用膜材生命周期評價技術展示了其重要的經濟、資源和環境效益。一方面，柔性納米纖維與剛性納米片橋聯形成的空間互鎖結構有效提升了二維納流體膜的穩定性，是構筑高離子通量的大面積、高強度（149 MPa）薄膜的基礎；另一方面，纖維素豐富的負電基團顯著提升了層間納米通道的空間負電荷密度，促進了陽離子在二維納流體膜中的選擇性快速傳輸。基于上述設計，在模擬海水/河水（0.5 M/0.01 M NaCl）條件下，全天然二維納流體膜的滲透能輸出功率達到8.61 W m?2，相較于前述黏土膜工作提高了1.7倍，在二維納流體鹽差能發電領域處于領先水平。得益于優異的結構穩定性和均一性，當膜面積擴大至約700 cm2時，不同選區均實現了超過8 W m?2的高效滲透能量捕獲和超過30天的穩定能量輸出，為規模化滲透能量收集和使用奠定了基礎。為了探究其實際應用價值，進一步針對全天然二維納流體膜開展了詳細的生命周期評價（LCA）和技術經濟分析。研究結果表明，相較于主流氧化石墨烯和MXene基二維納流體膜，本工作構筑的黏土膜使得全生命周期過程資源消耗降至1/14、溫室氣體排放降至1/9、生產成本降至1/13，展示出重要的經濟、資源和環境效益。綜上，本工作為開發可持續、全天然的二維納流體膜提供了新思路，為大規模的鹽差能量收集和利用提供了綠色、便捷、經濟的新策略，有望推動膜基新能源技術的發展和應用。相關成果以 “All-natural 2D nanofluidics as highly-efficient osmotic energy generators” 為標題發表于國際權威期刊《Nature Communications》，北京工業大學博士研究生唐家東和碩士研究生王允為本文共同第一作者。

【圖文導讀】

圖1 采用纖維素納米纖維插層黏土納米片基體構筑的大面積、高強度的全天然二維納流體膜（2D-NNF）

圖2 實驗測試結合理論模擬證實2D-NNF具有優異的陽離子選擇傳輸特性，為高效滲透能捕獲奠定了基礎

圖3 在模擬海/河的NaCl水溶液50倍鹽差條件下，2D-NNF的最大滲透能量輸出功率達到8.61 W m?2，在二維納流體膜鹽差能發電領域處于領先水平

圖4 針對海水中不同陽離子開展的2D-NNF跨膜傳輸特性及滲透能量輸出性能的詳細探究

圖5 大面積2D-NNF（φ30 cm）的不同選區均實現了超過8 W m?2的高效滲透能量捕獲和超過30天的穩定能量輸出，展現出重要的實際應用價值

圖6二維納流體膜生產過程的生命周期評價結果顯示了2D-NNF具有重要的經濟、資源和環境效益，推進了二維納流體膜在滲透能發電方面的實際應用進程

【結論與展望】
本工作選取低成本、環境友好的黏土和纖維素作為原料，發展了兼具高離子選擇和高離子通量的大面積、高強度的全天然二維納流體膜，實現了超工業化應用水平的高效鹽差能量持續穩定輸出，且展現出重要的經濟、資源和環境效益。本工作發展的全天然二維納米流體在規模化“零碳”鹽差能高效收集和利用方面極具前景，并且在離子篩分和海水淡化等領域也展現出重要的應用潛力。

【文獻鏈接】
[1] J. Tang, Y. Wang, H. Yang, Q. Zhang*, C. Wang, L. Li, Z. Zheng*, Y. Jin, H. Wang, Y. Gu*, T. Zuo. All-natural 2D nanofluidics as highly-efficient osmotic energy generators. Nature Communications, 2024, 15, 3649. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47915-z.
[2] R. Qin, J. Tang, C. Wu, Q Zhang *, T. Xiao, Z. Liu, Y. Jin, J. Liu*, H. Wang. Nanofiber-reinforced clay-based 2D nanofluidics for highly efficient osmotic energy harvesting. Nano Energy, 2022, 100, 107526. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107526.
[3] C. Wu, T. Xiao, J. Tang, Q. Zhang*, Z. Liu, J. Liu, H. Wang. Biomimetic temperature-gated 2D cationic nanochannels for controllable osmotic power harvesting. Nano Energy, 2020, 76, 105113.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105113.