清华大学王海辉AFM：棉纳米纤维增强MXene复合膜实现高效渗透能转化

随着全球能源需求持续增长及环境污染问题日益严峻，开发清洁、可持续且低成本的替代能源迫在眉睫。渗透能（又称"蓝色能源"）利用海水与河水间的盐度梯度产生吉布斯自由能差，是一种极具潜力的可再生能源方案。膜基反向电渗析（RED）技术可将盐差直接转化为电能，但其核心组件——离子选择膜长期依赖聚合物材料，存在选择性差、内阻高、转换效率低等瓶颈，严重制约了渗透能的规模化应用。

清华大学王海辉教授、丁力副研究员团队创新性地利用棉纳米纤维（CNFs）作为桥接单元，开发出高性能MXene/CNF复合膜（MCM）。该设计解决了传统MXene膜因纳米片紧密堆叠导致的通道狭窄、表面电荷不足及机械强度弱（仅22 MPa）三大缺陷。CNFs的引入使膜结构从致密层状转变为松散堆叠，扩大了离子传输路径并降低传质阻力；同时，MXene与CNFs的丰富官能团显著提升了负空间电荷密度，强化了阳离子选择性。复合膜机械强度跃升至145 MPa（提升7倍），在模拟海水（0.5 M NaCl）与河水（0.01 M NaCl）混合条件下，输出功率密度达9.7 W m⁻²，能量转换效率高达28.6%。

材料设计与结构表征

研究团队通过温和的MILD法从Ti₃AlC₂中剥离出平均横向尺寸4.6 μm的Ti₃C₂Tₓ MXene纳米片（图2a,b），并与天然棉衍生的CNFs（平均直径5.7 nm，图2c,d）复合。真空辅助过滤制备的MCM（图1, 2e,f）呈现均匀层状结构（图3a）。高分辨表征显示，CNFs通过氢键桥接MXene纳米片（图3i），使层间距扩大（XRD峰左移）。二维广角X射线衍射（2D-WAXD）证实CNFs适度降低了膜取向度（取向因子f从0.80降至0.76，图3d-h），形成更多迂曲通道，利于离子传输。

图1MXene/CNF复合膜（MCM）制备示意图。MXene纳米片与棉纳米纤维（CNF）通过羟基（-OH）、羧基（-COOH）等官能团桥接结合。

图2材料制备表征。(a) MXene（Ti₃C₂Tₓ）纳米片的扫描电镜（SEM）图，插图为显示丁达尔效应的分散液照片；(b) MXene纳米片尺寸分布；(c) CNFs的透射电镜（TEM）图，插图为分散液照片；(d) CNFs直径分布；(e) 真空过滤法制备MCM流程；(f) MCM实物图。

图3膜结构表征。(a) MCM的均匀相图；(b) 截面SEM图；(c) 高倍TEM图（CNFs插入区域纳米片排列变形）；(d-g) MXene膜与不同CNFs负载量MCM的二维广角X射线衍射（2D-WAXD）及方位角分布；(h) 基于(002)晶面的取向因子对比；(i) CNFs与MXene的氢键作用示意图（电荷密度差图中黄色/蓝色分别代表电子增益/损失）。

化学键合与机械强化

FTIR与XPS谱图验证了CNFs的成功嵌入：在MCM中检测到CNFs特有的C=O（羧基）和C-O峰（图4a,b）。氢键网络大幅提升了膜稳定性——超声处理后MXene膜溶解而MCM完好，抗溶胀测试表明其干/湿态通道尺寸几乎不变（图S13）。纳米压痕与拉伸实验显示，MCM模量达11.6 GPa（MXene膜仅4.3 GPa），拉伸强度提升至145 MPa（图4c-e），优于已报道的二维材料膜（图4f）。

图4键合与机械性能。(a) MCM与CNFs的FTIR光谱；(b) 膜的C 1s XPS谱（MCM出现C=O特征峰）；(c) 纳米压痕载荷-位移曲线；(d) 膜模量对比；(e) 拉伸应力-应变曲线；(f) 与文献报道膜的强度/应变对比。

渗透能捕获性能

在50倍盐度梯度下，MCM的阳离子迁移数高达0.90（图5f）。其表面电荷主导的离子传输表现为：低浓度时电导率与浓度无关（双电层效应），高浓度时呈线性关系（图5c）。通过优化CNFs负载量（MCM-0.10），输出功率密度达9.7 W m⁻²（图5i），远超原始MXene膜（3.49 W m⁻²）。过量CNFs会阻塞通道导致性能下降。实际海水（中国南海）与河水（万泉河）测试中，MCM功率密度达6.5 W m⁻²，超过商业化基准5 W m⁻²，且连续运行10天性能稳定（图5j）。

图5渗透能捕获性能。(a) 离子传输测试装置；(b) KCl溶液中MCM的电流-电压曲线；(c) 不同浓度下离子电导率（低浓度区平台表明表面电荷主导）；(d) 正/反向离子扩散示意图；(e) 正/反向扩散的I-V曲线（对称性验证）；(f) 阳离子迁移数与能量转换效率；(g) CNFs调控通道尺寸与电荷的机制；(h,i) 电流密度与功率密度随外阻变化；(j) MCM的长期稳定性；(k) 已报道二维材料膜性能对比。

总结与展望

该研究通过CNFs桥接策略，构建了兼具高机械强度、大通道尺寸与强负电荷密度的MXene复合膜，为渗透能捕获提供了新思路。其实际海水/河水测试性能超越商业标准，证实了应用潜力。该"纳米纤维增强二维材料"的设计范式，有望推动MXene膜在能源转换领域的规模化应用。

来源：高分子科学前沿

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