文献快讯：Adv. Mater. 二维阶梯异质结膜实现高效光增强渗透能转换

【成果掠影 & 研究背景】

面对全球可持续能源与资源回收的迫切需求，从海水与淡水的盐度差中获取的“蓝色”渗透能，被视为一种富有前景的可再生能源。然而，将纳米流体系统扩大至实用尺寸以产生足够功率时，严重的浓度极化和电势降会导致离子选择性与通量急剧下降，成为商业化应用的关键瓶颈。

为此，研究团队在《Advanced Materials》上报道了一种新型光响应阶梯异质结构纳米流体膜。该材料通过整合氧化石墨烯纳米层与嵌入二硫化钼的硫化镉纳米纤维异质结，构建了由原子级I型异质结和肖特基结组成的连续、超快电子-离子耦合传输通道。异质界面产生的纳米级局部不对称电场，有效抑制了浓度极化并抵消了电势降。在大面积（28 mm²）下，该膜实现了高达49.5%的能量转换效率（接近50%的理论极限），并表现出332.3的卓越钠/氯离子选择性。基于此的渗透能电池在模拟太阳光照射下，可将电能有效储存于电容器与锌离子电池中，其容量相比无光照条件提升68.8%。更引人注目的是，该系统能产生高达467.6 µA的离子电流，用于从溶液中近乎100%纯度的高选择性电化学回收金及其他贵金属，为绿色冶金提供了新思路。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

• 结构设计创新：成功构建了集I型半导体异质结（CdS/MoS₂）与肖特基结（MoS₂-CdS/GO）于一体的阶梯异质结构，实现了光照下沿CdS→MoS₂→GO路径的定向、连续电子传输，为耦合电子-离子传输提供了新范式。

• 性能突破性提升：在高达28 mm²的大面积膜上，实现了49.5%的创纪录能量转换效率与332.3的离子选择性，显著克服了传统纳米流体放大过程中性能骤降的难题。

• 光增强能量转换与资源回收一体化：首次将光增强渗透能发电与高附加值金属离子（如Au、Ag、Pt）的电化学回收直接耦合，利用产生的离子电流实现了近乎100%纯度的金回收，且光照下回收效率提升1.33倍。

• 机理深入阐释：通过原位XPS、光电测试及Poisson-Nernst-Planck方程模拟，从实验与理论层面揭示了异质结界面光生电荷分离产生局部电场、从而增强离子选择性与通量的“光电-离子”转换机制。

• 系统集成与实用化演示：通过串联/并联集成电池单元，灵活调控输出电压与电流，成功驱动LED阵列、计时器等多种电子设备，并演示了将渗透能存储于商业锌离子电池的完整循环，展示了其作为可持续电源的实用潜力。

• 优异的稳定性与普适性：膜材料在30天内保持结构和功率输出稳定，并在宽pH范围（3-10）及不同盐溶液（NaCl、KCl）中均表现出高性能，展现了良好的环境适应性。

Figure 1: CHS-NFs的制备与结构表征。

Figure 2: CHS-NFs的光电-离子转换行为。

Figure 3: CHS-NFs的光增强渗透能转换性能。

Figure 4: 光增强渗透能转换的机制分析。

Figure 5: 面向金属离子回收的光增强渗透能转换应用。

【总结 & 原文链接】

本研究成功开发了一种具有阶梯异质结构的光响应纳米流体膜，通过精心设计的异质结界面工程，产生了能抑制浓度极化与电势降的纳米级局部不对称电场，从而在大面积下同时实现了接近理论极限的能量转换效率与极高的离子选择性。这项工作不仅提供了高性能的渗透能收集方案，更通过光增强策略，将可持续发电与高纯度贵金属回收创新性地结合，构建了一个“能源-资源”协同回收的集成系统。该成果为下一代高效、多功能的纳米流体能源转换与资源回收技术奠定了坚实基础，展示了在碳中和背景下实现蓝色能源利用与绿色冶金减碳的双重潜力。

原文链接: https://doi.org/10.1002/adma.202519133

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