复旦大学孔彪团队Angew：缺陷工程开辟智能离子传输与渗透能发电新领域

随着工业化进程的加速，能源消耗的剧增和温室气体排放，促使研究人员寻找可再生能源作为替代方案。渗透能作为一种“蓝色能源”，即利用淡水和含盐水之间的离子浓度差异来获取能量，被认为是解决全球能源危机和环境问题的潜在方案。反向电渗析（RED）作为渗透能转化为电能的方法之一，需要高性能的离子选择性膜来实现高效的离子传输。然而，现有的表面电荷密度调节方法在RED应用中存在着离子选择性不足、功率密度有限和膜耐久性差等问题，因此需要新的策略来解决这些问题。

为了改善选择性不足的问题，复旦大学孔彪研究员，同济大学朱大章教授、刘明贤教授，和西安交通大学谢磊研究员等提出了一种基于新型的缺陷工程调控表面电荷的策略，将缺陷工程处理的NiCoLDH（VOLDH）与纤维素纳米纤维包裹的碳纳米管（CNF-CNT）进行界面超组装，制备了VOLDH/CNF-CNT复合离子通道膜，实现了表面电荷密度的调控。该膜具有丰富的埃级尺度的阳离子选择性离子通道，层间自由间距约为3.62 Å，具有尺寸约束的离子选择性能。该策略提高了膜的亲水性和表面电荷密度，降低了离子传输电阻，实现了优异的电荷选择性。该研究以题为“Interfacial Super-Assembly of Vacancy Engineered Ultrathin-Nanosheets toward Nanochannels for Smart Ion Transport and Salinity Gradient Power Conversion”的论文发表在最新一期《 Angewandte Chemie International Edition》上。

图1 VOLDH/CNF-CNT复合离子通道膜的制备示意图

这项研究中，首先分别用水热法和缓冲溶液进行酸刻蚀制备NiCoLDH和缺陷工程处理的VOLDH超薄2D纳米片。并二维超薄VOLDH纳米片和一维CNF-CNT水分散体通过氢键作用进行界面超组装，制备得到VOLDH/CNF-CNT复合膜。其相比于VOLDH膜表现出优异的柔韧性，通过XRD和同步辐射GIWAXS等表征证实了所制备的复合膜中存在埃级离子通道，其层间自由间距约为3.62 Å。除此之外，经过缺陷工程和界面超组装过程后，复合膜在水中的亲水性显着提高，有利于离子在离子通道中的跨膜传输。丰富的表面负电荷有利于对阳离子的选择性以及能够有效的提高离子在复合膜通道中的扩散和迁移速率，从而提高复合膜跨膜离子传输和渗透能转换性能。

图2 前驱体以及VOLDH/CNF-CNT复合离子通道膜的表征

作者进一步将VOLDH/CNF-CNT复合膜组装为纳米流体系统，研究其离子传输特性和渗透能发电性能。复合膜不仅具有出色的离子选择性，而且在模拟河水和海水条件下，复合膜表现出高功率密度（5.35 W/m 2）和长期耐久性，功率密度比未处理的NiCoLDH膜提高了近400%。此外，它还表现出pH和温度敏感的离子传输行为。随后，作者采用DFT理论计算证明，缺陷工程处理能够调控LDH的电子结构，从而调节其表面电荷，进一步影响其在通道内的离子传输和吸附特性。与CNF-CNT的界面超组装能够实现独特的埃级离子通道和通道内增大的表面电荷，这不仅提供了丰富的离子传输路径，同时最大限度地增强了它们在受限几何内的离子-壁之间的界面相互作用，导致高性能的选择性离子传输特性。

图3 VOLDH/CNF-CNT复合离子通道膜离子传输和渗透能发电机理

总结：作者报道了一种新颖的缺陷工程策略，设计并制备高性能的离子选择性埃级离子通道膜，并揭示了缺陷工程和界面超组装在离子传输和选择性中起到的作用及其机理。这项工作展示了缺陷工程和界面超组装对于先进的离子选择性离子通道具有显著的潜力，在离子泵、离子存储、人工智能器件、智能分析传感等领域有着广阔的应用前景。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202407491

来源：高分子科学前沿

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