成都理工大学汪建AFM：高拉伸金属配位水凝胶膜，实现大面积稳定渗透能转换

随着化石燃料枯竭与环境问题加剧，开发清洁可持续能源成为全球优先课题。海洋渗透能（盐差能）储量达1.4-2.6太瓦，尤其在河海交界处潜力巨大。传统基于离子选择膜的反电渗析（RED）技术虽展现应用前景，但现有水凝胶膜的研究集中于微小面积（≤0.1 mm²），难以实用化。大面积应用面临四大挑战：盐度梯度稀释、离子传输路径延长、离子选择性下降以及浓差极化（ICP）效应，导致能量转换效率急剧降低。

成都理工大学汪建副教授团队开发出新型聚丙烯酰胺-丙烯酸-乙烯基咪唑-金属离子（PAM-AA-VI-Metal）水凝胶膜，通过物理/化学协同交联策略实现突破。该材料利用氢键稳定物理交联，金属离子配位与烯键强化化学交联，兼具高拉伸性（抗拉强度405.2 kPa，伸长率1420%）和超低溶胀率（盐水浸泡7天膨胀<1%）。在0.1 mm²测试面积下，其渗透能功率密度达36.35 W/m²（50倍盐梯度）；当面积扩大至177 mm²时，仍能稳定输出0.1 W/m²（10倍盐梯度），较传统海水/河水梯度（0.003 W/m²）提升30倍以上。相关论文以“Highly Stretchable Hydrogel Membranes with Metal-Ion Coordination for Scalable Stable Osmotic Energy Conversion”为题，发表在Advanced Functional Materials 上。

图1 揭示了水凝胶的合成机制：丙烯酸（AA）、乙烯基咪唑（VI）和交联剂MBA通过自由基聚合形成长链骨架，锆离子（Zr⁴⁺）与咪唑基团动态配位增强网络稳定性，而聚丙烯酰胺链间的氢键（图1b）赋予材料弹性。多重作用力构建的三维网络（图1d）形成贯通离子通道，为高效能量转换奠定基础。

图1 聚丙烯酰胺基水凝胶膜的形成机制与网络结构示意图 a) PAM-AA-VI-Zr水凝胶主要化学反应路径 b) PAM分子链间氢键作用细节 c) 烯烃与金属在化学交联中的协同作用 d) 多重作用力构建的稳定三维网络

图2显示金属离子显著调控膜微观结构：锆基水凝胶孔径最小（0.4-1.8 μm），较无金属样品（4-13 μm）压缩超80%（图2a-b）。高价位锆离子的强配位能力提升交联密度，缩短离子扩散路径，有效抑制浓差极化。接触角测试（图2c）证实所有样品具亲水性（32.7°–57.9°），平衡了离子传输与抗溶胀需求。

图2 PAM-AA-VI及金属交联水凝胶的形貌表征 a) 不同金属离子（Ni²⁺、Ca²⁺、Fe³⁺、Zr⁴⁺）交联水凝胶的FESEM图像 b) 样品孔径分布统计（无金属样品：4-13 μm；Zr⁴⁺样品：0.4-1.8 μm） c) 各水凝胶接触角测试结果

图3验证了锆基水凝胶的卓越物化性能：FTIR和XPS证实金属-氮配位键形成（图3a-b）；Zeta电位表明植酸（IP6）引入增强负电性，提升阳离子选择性（图3c）；力学测试中锆基样品抗拉强度达405.2 kPa（图3d），且耐水压6.65 kPa（图3f），满足大面积应用需求。

图3 水凝胶的物化与机械性能 a) 不同样品的FTIR光谱 b) PAM-AA-VI-Me水凝胶高分辨N1s XPS谱 c) 不同pH下Zeta电位变化 d) 拉伸应力-应变曲线（左：拉伸过程实物图；右：力学曲线） e) 大面积测试前后锆基水凝胶形貌对比 f) 耐压测试装置（玻璃管内径7.5 mm）

离子传输与能源转化

图4展示锆基水凝胶的离子传输特性：在7.5 mm测试半径下，开路电压（Vₒc）与短路电流（Iₛc）随KCl浓度梯度提升而增长（图4b），离子迁移数达0.72（图4c）。导电率测试（图4e）显示其符合欧姆定律，大尺寸下电阻更低。交替偏压测试（图4f）中电流稳定在±700 μA，证实长期运行可靠性。

图4 锆基水凝胶离子传输行为（测试半径7.5 mm） a) 三维多孔网络中离子选择性传输示意图 b) 不同KCl浓度梯度下的开路电压与短路电流 c) 离子选择性随浓度梯度变化 d) 能量转换效率分析 e) 电导率与浓度关系 f) 0.1 M KCl中交替偏压(±1V)下的电流稳定性

图5揭示大面积应用的能源转化优势：锆基水凝胶在0.1 mm²面积下功率密度达36.35 W/m²（图5c），创同类材料新高。关键突破在于177 mm²大面积测试时，高盐环境（5/0.5 M NaCl）下功率密度稳定在0.1 W/m²（图5d），较传统海水/河水梯度高30倍。EIS分析（图5g）证实高盐条件缓解浓差极化，双电层模型（图5h）阐明大尺寸下功率衰减机制。稳定性测试（图5i）显示：小面积海水/河水梯度7天后功率衰减59.4%，而大面积高盐梯度仅衰减23%，凸显工程化应用潜力。

图5 不同测试面积的渗透能性能 a) 阳离子选择性传输原理示意图 b-c) 0.1 mm半径下各水凝胶电流/功率密度对比 d) 锆基水凝胶在高盐/海水-河水梯度下的功率密度（左：电解池实物） e-f) 两种梯度下的开路电压与短路电流 g) 浓差极化系数随测试面积变化 h) 双电层结构示意图（含斯特恩层与扩散层） i) 两种条件下的7天稳定性测试

应用前景展望

该研究通过金属离子配位策略攻克了水凝胶膜机械强度与离子传输的权衡难题，首次实现厘米级尺寸（177 mm²）稳定渗透能转换。锆基水凝胶的温和制备工艺、优异抗溶胀性及环境相容性（锆离子溶出<2.79 ppm），为盐湖、工业废水等场景的能源回收提供新路径。团队指出，高盐条件可有效抑制浓差极化，推动水凝胶渗透能技术迈向实用化。

来源：高分子科学前沿

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