《德国应化》抗膨胀梯度聚电解质水凝胶膜作为高性能渗透能发电机

【摘要】

新兴的由两种不同多孔膜组成的不对称离子膜在收集清洁和可再生渗透能方面表现出极大的优势。限制其应用的主要障碍是界面不兼容和界面离子传输效率低，不利于长期稳定性和功率密度的提高。

最近，中国科学院理化技术研究所江雷院士，青岛大学随欣教授/范汶鑫副教授/隋坤艳教授科研大团队，共同通过超快反应扩散法制备的连续梯度全多糖聚电解质水凝胶膜已被证明能够实现高性能的渗透能转换。除了固有的高离子电导率和优异的离子选择性外，抗溶胀梯度聚电解质膜保留了非对称膜的离子二极管效应，以促进单向离子扩散，但避免了它们不利的界面效应。因此，基于梯度聚电解质膜的发电机可以通过混合海水和河水呈现 7.87 W/m2 的超高功率密度，远远优于最先进的膜。本研究中的设计策略可以为构建用于渗透能收集的高性能膜提供新的见解。相关论文以题为Anti-swelling gradient polyelectrolyte hydrogel membranes as high-performance osmotic energy generators发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。第一作者是青岛大学硕士研究生边国帅同学。

【主图导读】

【梯度聚电解质水凝胶膜的制备与表征】

图 1.梯度全多糖聚电解质水凝胶膜渗透发电机示意图。(a)多糖聚电解质的材料资源和分子结构、所得水凝胶膜的梯度结构和渗透能收集过程的示意图。(b 和 c) 梯度 CS/SA 水凝胶膜的横截面 SEM 图像 (b) 和 CLSM 图像 (c)。

【离子跨膜传输特性】

图 2.跨膜离子传输特性。(a) 梯度 CS/SA 膜的离子电导与盐浓度的关系。(b) 在 0.01 M KCl 溶液中记录的梯度膜的 I-V 曲线。(c) 使用不同 SA 浓度制备的梯度 CS/SA 膜的 Zeta 电位。(d) 两种带相反电荷的荧光染料渗透实验的时间-浓度曲线。(e) 梯度 CS/SA 水凝胶膜的溶胀度 (SD) 对盐浓度的依赖性。(f) 前向和后向盐水梯度下梯度 CS/SA 膜的 I-V 曲线。

【不同条件下的渗透能转换行为】

图 3.渗透能量收集性能。(a) 用不同 SA 浓度制备的梯度 CS/SA 膜的电流密度和 (b) 输出功率密度。(c) 用不同 CS 浓度制备的梯度 CS/SA 膜的最大输出功率密度。(d) 不同厚度的梯度 CS/SA 水凝胶膜在 50 倍盐度梯度下的输出功率密度。(e) 三种盐度梯度下梯度 CS/SA 膜的输出功率密度。不同电解质 (f) 和不同 pH (g) 下梯度 CS/SA 膜的最大输出功率密度。(h) 梯度 CS/SA 膜在不同 pH 值下的结构演变示意图。

【混合海水与河水时的渗透能转换行为】

图 4.实际应用中的渗透能转换性能。(a)通过混合天然海水和河水得到的膜的电流密度和功率密度。(b)基于膜的能量装置的稳定性测试。（c）在混合海水和河水的情况下，功率密度与报道的宏观纳米流体膜的比较。(d)最大输出功率密度与使用天然海水和河水的测试区域之间的关系。(e)测试设备优化前后28 mm2大测试区域的输出功率密度。

【总结】

该团队在通过超快反应扩散法制备的梯度全多糖聚电解质水凝胶膜中展示了高性能的渗透能转换。所制备的具有连续梯度结构的非对称膜可以消除已报道的非对称离子膜存在的不利界面效应。受益于固有的高电导率、带电3D聚合物网络的优异离子选择性和梯度电荷诱导的离子二极管效应，基于梯度聚电解质水凝胶膜的装置通过混合海水和河水呈现出 7.87 W/m2 的超高功率密度，优于以前的报道的。特别是首次揭示了功率密度随着测试面积的增加而降低的原因，这是由于测试设备的电阻较大造成的。这项工作从根本上为首次从膜和发电机装置的角度设计具有所需能量转换性能的 RED 发电机装置提供了理论和实践指导。

参考文献：

doi.org/10.1002/anie.202108549

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