北京工业大学张倩倩教授: 具有相反离子选择性的二维黏土纳流体对构建盐差电池

具有相反离子选择性的二维黏土纳流体对构建盐差电池

题目：2D clay nanofluidic pairs with opposite ion selectivity for constructing salinity-gradient cells

作者：Jiadong Tang, Linhan Xie, Shiwen Wang, Yiqi Jing, Bing Liu, Yifan Gu, Yuhong Jin, Qianqian Zhang

DOI:10.1002/cnl2.70058

链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70058

第一作者：唐家东、谢林翰

通讯作者：张倩倩

单位：北京工业大学

研究背景

渗透能，即盐差能，是两种不同盐度的流体系统（如海水和河水）结合时产生的，作为一种可再生的清洁能源备受关注。基于膜的反电渗析（RED）技术能够直接从盐度梯度中收集能量，被认为是最有前途的一种技术。在RED系统中，离子浓度在正负离子交替堆叠的选择性膜上扩散产生电化学电位和净离子通量，因此膜的选择性离子传输能力直接决定了RED装置的发电性能。然而，用于RED系统的商业离子交换膜存在选择性低、质量输运不足和制备成本高等问题，限制了其大规模商业应用的潜力。因此，迫切需要探索新型膜材料，以提供专用的结构和物理化学性能来解决这些瓶颈。

近几十年来，纳米流体离子传输的发展为高性能RED系统的应用开辟了新的途径。得益于独特的带电纳米通道结构，纳米流体膜对通道壁上携带相反电荷的离子表现出优异的选择性，从而大大提高了RED系统的功率输出。近年来，二维（2D）纳米流体在利用盐差能方面显示出巨大的潜力，主要是因为其在大规模制备和功能化方面的优势。由带电荷的纳米片堆叠构成的2D纳米流体，其纳米片之间的层间空间可被视为层状纳米通道，用于选择性离子传输。在过去的几年里，一些经典的2D材料在构建纳米流体应用RED系统的潜力相继被探索，如阴离子和阳离子选择性氧化石墨烯（GO），MXene等。然而，传统的GO和MXene纳米片是带负电荷的，因此需要通过氨基官能团的表面修饰来构建带正电的纳米片，即构建阴离子选择性的2D纳米流体。这些材料的制备条件苛刻，成本高，非绿色工艺限制了它们在RED系统的可扩展应用。因此，迫切需要在RED系统中实现制备简单、环境友好、经济高效、具有高离子选择性的2D纳米流体。

天然黏土是一类重要的二维材料，具有本征电荷、储量丰富、环境友好等优点。它们具有天然的层状晶体结构，在弱范德华相互作用下是稳定的。其中，水滑石是一种带正电的2D材料，由于晶格中二价金属离子被三价金属离子同晶取代。如果相反（三价离子被二价离子取代），则产生具有本征负电荷的2D黏土材料，如蒙脱土（MMT）、高岭石、蛭石等。这些材料可以通过机械力剥离成具有较大比表面积的单层或多层纳米片，可以作为构建阴离子或阳离子选择性2D纳米流体的良好候选材料。近年来，阴/阳离子选择性2D黏土纳米流体已被开发用于盐差能量转换，如阴离子选择性水滑石类化合物（MgAl-LDH）, 阳离子选择性MMT和蛭石。然而，这些研究仅限于半电池的构建和系统应用，这将降低盐差能量利用效率，增加系统构建的复杂性（例如需要多个电极串联连接）。在实际应用中，为了高效获取盐差能，河水和海水分别流入交替排列的河/海流体通道，因此需要将一系列具有相反离子选择性的膜交替放置以构建一个完整的电池，以实现高效的盐差能转换。

成果介绍

北京工业大学张倩倩教授团队开发了一种黏土基反向电渗析（RED）系统，通过耦合2D阳离子选择性的MMT膜与阴离子选择性的LDH膜，实现了高效的盐差能量收集。这对电荷极性相反的纳米流体膜表现出典型的电荷控制离子传输行为与互补的离子选择性。在0.5/0.01 M NaCl盐度梯度下，该装置在不依赖电极氧化还原反应的情况下，获得了高达5.48 W/m2的渗透功率输出。研究团队进一步将15个黏土膜对串联集成，使RED系统电压提升至1.8 V，成功实现了对小型电子设备的供电，验证了该黏土基膜在实际应用中的可行性。为全面评估其应用潜力，团队开展了详细的技术经济分析与生命周期评价（LCA）。结果表明，与GO和MXene等主流纳米流体材料相比，基于天然黏土的LDH与MMT膜在制造过程中，资源消耗和温室气体排放可降低约90%，同时具备显著的成本优势。这些数据充分凸显了此类天然黏土基纳米流体RED系统在经济、能源与环境方面的多重效益，为开发可持续的盐差能收集技术提供了富有竞争力的解决方案。该成果以“2D clay nanofluidic pairs with opposite ion selectivity for constructing salinity-gradient cells”为题发表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮点

1、首次构建了基于天然黏土（MMT与LDH）的2D离子选择性膜对，通过相反的电荷极性实现互补离子输运，为盐差能收集提供了新型纳流体RED系统。

2、在0.5/0.01 M NaCl盐度梯度下，该器件不依赖电极氧化还原反应即可输出高达5.48 W/m2的功率密度，展现了高效的能量转换能力。

3、通过将15个膜对成功集成堆栈，系统输出电压达1.8 V，并成功为小型电子设备供电，验证了其实际应用的可行性与商业化潜力。

4、技术经济与生命周期评估表明，该黏土基膜制造过程可实现资源消耗与温室气体排放降低约90%，同时具备显著成本优势，凸显了其突出的绿色低碳与经济效益。

本文要点

要点一

相反离子选择性黏土纳流体膜的结构设计

图1：基于相反离子选择性2D黏土纳流体膜的盐差电池示意图。

黏土纳米片的本征电荷主要是由离子的晶格取代引起的。对于LDH纳米片，低价离子（Co2+）被高价离子（Al3+）取代导致表面正电荷的形成。而对于MMT纳米片，高价离子（Si4+，Al3+）被低价离子（Al3+，Mg2+）取代，导致表面形成负电荷。通过真空自组装形成了含有丰富二维纳米流体通道的LDH-MMT膜对。在三室电化学电池中构建阴离子选择性（LDH）和阳离子选择性（MMT）膜对，可以从不同盐度梯度的离子溶液中获取盐差能。CH=海水（0.5 M NaCl）；CL=河水（0.01 M NaCl）。

图2：具有相反离子选择性的2D黏土纳流体膜结构表征。

图2(a-d)显示了LDH阴离子选择膜的图像，表面形貌，纳米片形貌尺寸以及膜的截面结构。图2(e-h)显示了MMT阳离子选择膜的图像，表面形貌，纳米片形貌尺寸以及膜的截面结构。

从图中可知，LDH和MMT膜均具有致密的二维层状结构。LDH和MMT膜的电性和带电量如图2(i-j)所示，两者表现出相反的表面电性，因此具有相反的离子选择性。由图2k可知，LDH和MMT的水合层间距分别为1.16 nm和1.97 nm。考虑到单个LDH层（0.48 nm）和MMT层（0.96 nm）的厚度，LDH和MMT的离子传输有效通道尺寸分别约为0.68 nm和1.01 nm，这有利于双电层的覆盖和离子的选择性快速传输。

要点二

离子传输特性和能量收集应用

图3：2D黏土纳流体膜的离子传输行为和渗透能量收集。

图3(a-c)显示了LDH膜和MMT膜具有相反的离子选择传输特性。图3(d-e)计算了LDH膜和MMT膜纳米通道中的离子扩散能垒，显示出LDH膜对于Cl-离子和MMT膜对于K+的低传输能垒，证实了其相反的离子选择性。图3f在实验上进一步证实了LDH膜和MMT膜相反的离子选择性。随后，开展了二维黏土纳流体膜对的渗透能量收集。图3(g)为LDH和MMT膜在不同浓度梯度下膜电压和电流变化情况，黏土纳流体膜对表现出电压叠加行为。图3(h-i)为50倍（0.5/0.01 M NaCl）浓度梯度下LDH和MMT膜的离子传输曲线和渗透功率输出，显示出基于相反离子选择性的二维黏土纳流体膜对增强盐差能量收集行为。

图4：串联黏土纳流体膜对驱动电子设备。

图4显示了基于二维黏土纳流体膜对串联构筑的盐差电池用于电子设备直接供电。15个串联堆栈输出电压可达~1.80 V。在模拟海河50倍（0.5 M/0.01 M NaCl）浓度梯度下，输出电压呈120.0 mV /单体电池的线性关系。

要点三

资源、环境和经济分析

图5：生命全周期评估。

图5(a-b)显示了MMT和LDH基材的物质流分析，主要为黏土基材从原料提取合成到纳米片提纯剥离等过程中的资源消耗。图5(c-d)显示了相比氧化石墨烯和MXene等2D材料，LDH和MMT基材在资源、环境和经济方面的显著优势。GWP：全球温室效应潜势，AP：酸化潜势，HTP：人体毒性潜势，MAETP：海洋生态毒性潜势，FAETP：淡水生态毒性潜势，TETP：陆地生态毒性潜势，ADP：非生物消耗。

本文小结

该工作基于天然黏土材料构筑了一组具有阴/阳离子选择性二维纳米流体膜（LDH和MMT），用于高效盐差能量收集。LDH膜和MMT膜得益于受限的二维带电纳米流体通道，分别表现出良好的阴离子和阳离子选择性。在0.5/0.01 M NaCl的盐度梯度下，LM-RED的最大输出功率密度可达5.48 W m-2，这是已知的黏土基RED器件的最高输出功率密度。值得注意的是，生命周期评估和技术经济分析表明，黏土基膜对具有显著的资源、环境和经济优势，进一步证明了LM-RED作为盐差能量收集平台的巨大潜力。然而，它们的大规模应用需要进一步考虑，如扩大膜制造工艺和应用场景，保持一致的性能和缺陷控制。因此，迫切需要开发高效、可扩展的大面积二维膜制备方法。同时，必须通过创新机制和优化装置来改进传统的渗透能收集策略，以克服工作面积受限问题。此外，有必要评估膜在现实水环境下的长期稳定性和防污性能，同时优化系统设计和集成，以实现大规模高效的蓝色能源提取。

作者介绍

第一作者

唐家东

北京工业大学材料科学与工程学院博士研究生，导师张倩倩教授。主要从事在二维黏土膜材料制备及其在能量转换方面的应用。目前以第一作者（含共同第一作者）在Nat. Commun., Adv. Funct. Mater., Carbon Neutralization等期刊发表学术论文10篇，授权发明专利1项。

通讯作者

张倩倩

张倩倩，北京工业大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。主要从事功能离子膜与新型体系离子电池的研究。目前以第一作者/通讯作者在Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等期刊发表学术论文100余篇，论文引用次数超4000余次，H因子38，其原创成果入选“北京市广受关注学术成果”。已获授权国家发明专利11项，实现技术转化3项。先后主持国家自然科学基金、军委科技委工程项目、北京市自然科学基金、市科委项目等10余项。担任Carbon Neutralization等期刊青年编委。

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离子电池领域

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为了进一步推动期刊的全面发展，Carbon Neutralization自 2025 年 11 月 5 日起，对正式接收的稿件收取版面费，旨在将期刊建设成更高质量、可持续服务于全球碳中和研究的交流平台。

发 展 历 程

Carbon Neutralization是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自10个国家和地区的28名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2024年度全球“高被引科学家”。且期刊已被ESCI、Scopus、CAS、DOAJ数据库收录，并于2025年获得首个影响因子12。

Carbon Neutralization重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。

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