《‌‌AFM》华南理工大学祁海松：水凝胶纳米孔离子特异性工程设计，实现稳健且高效的渗透能转换

水凝胶因其固有的低电阻特性，在渗透能转换领域具有巨大潜力，但其应用受到机械性能弱、电荷密度低以及孔结构不稳定等限制。为解决这些问题，我们提出一种基于霍夫迈斯特效应的策略，利用羧甲基纤维素和聚乙烯醇制备出兼具高强度与高导电性的纳米流体水凝胶。所得水凝胶在50倍盐度梯度条件下展现出17.7 MPa的拉伸强度和12.6 W·m⁻²的渗透功率密度，分别比传统水凝胶提升3402%和368%。这一性能提升归因于纳米相分离结构的形成：疏水区域作为物理交联点提供优异的机械强度和抗溶胀能力，而亲水通道则充当“离子通道”以实现高离子导电性；此外，通过盐析效应形成的高电荷纳米孔进一步增强了离子选择性。该设计有效解决了机械稳定性与离子传输之间的传统权衡问题。在500倍盐度梯度下，功率密度可达38.4 W·m⁻²，超越了大多数先进纳米通道膜性能。该策略适用于多种水凝胶体系，为制备高性能纳米流体水凝胶以实现高效且持久的渗透能转换提供了灵活且可扩展的解决方案。

图1 基于霍夫迈斯特效应的强韧且高选择性的纳米流体水凝胶，用于高效渗透能收集。(A)霍夫迈斯特效应调控聚合物网络结构的基本原理：不同离子对聚合物结晶域密度的影响。(B)盐度梯度能量收集过程示意图。(C)传统CMC水凝胶（CMCH）与盐析诱导的CMC/PVA纳米流体水凝胶（SCPNH）的机械性能与渗透能转换性能对比。(D)经不同盐离子（Cit³⁻、硫酸盐²⁻、Ac⁻、Cl⁻、硫氰酸盐⁻）处理的CMC-PVA水凝胶（CPH）在Voc、Isc、最大功率密度（Pmax）、拉伸强度及操作稳定性方面的比较。(E)盐析效应构建高性能纳米流体水凝胶的普适性：硫酸根离子盐析对不同类型水凝胶机械性能及功率密度的促进作用。

图2 强韧且高选择性的纳米流体水凝胶的制备与表征。(A)通过盐析效应实现 SCPNH 的详细反应机制。(B)调控 SCPNH 基质中聚合物网络结构的盐析效应示意图。(C)CMC/PVA预凝胶及(D) SCPNH 在水溶液中浸泡约24小时后的显微图像与微观结构。(E)CMC、PVA、 CPH 和 SCPNH 的ATR- FTIR 谱图。(F) XRD 谱图；(G)结晶度；(H) CMCH 、 PVAH 、 CPH 和 SCPNH 的力学性能。

图3 盐析效应诱导的 SCPNH 增强的离子跨膜特性及其机制。(A)与 CPH 相比， SCPNH 增强的离子传输行为归因于盐析效应对水凝胶网络结构的调控。(B) CMCH 、 CPH 和 SCPNH 的电流-电压（I-V）曲线。(C) CMCH 、 CPH 和 SCPNH 的最大通透性（Pmax）比较。数据表示为平均值±标准差（n=3）。(D) CMCH 、 CPH 和 SCPNH 的孔径大小及电荷密度。(E) SCPNH 的离子电导随电解质（氯化钾）浓度的变化关系。在低浓度区域，离子电导偏离体相值（灰色线），表明其具有表面电荷控制的离子传输行为；插图展示了 SCPNH 纳米孔中的选择性离子传输。(F)在浓度为0.01 mM的中性氯化钾电解液中记录的 CMCH 、 CPH 和 SCPNH 膜的I-V曲线。(G) CPH（绿色方块）与 SCPNH（黄色方块）的溶胀比比较；插图显示这两种水凝胶在不同溶胀时间下的溶胀行为，上下图像分别对应 CPH 和 SCPNH 。(H) CPH 和 SCPNH 在浸入水溶液约24小时前后的物理及微观变化。

图4 不同阴离子类型对水凝胶结构及离子传输性能的调控。(A) 使用不同阴离子（Cit³⁻、硫酸盐²⁻、Ac⁻、Cl⁻、硫氰酸盐⁻）处理制备的水凝胶的视觉对比。(B) 不同阴离子（Cit³⁻、硫酸盐²⁻、Ac⁻、Cl⁻、硫氰酸盐⁻）通过霍夫迈斯特效应诱导的水凝胶微观结构及(C)孔径分布。(D) 霍夫迈斯特效应对水凝胶网络结构调控机制的示意图。(E) 不同阴离子（Cit³⁻、硫酸盐²⁻、Ac⁻、Cl⁻、硫氰酸盐⁻）处理所得水凝胶的ATR- FTIR 谱图、(F) XRD 谱图、(G)结晶度及(H)应力-应变曲线；未经阴离子处理的水凝胶作为对照组。(I) 不同阴离子处理所得水凝胶的Voc与Isc值。(J) 不同阴离子处理所得水凝胶的Pmax值。

图5 不同阴离子浓度对水凝胶结构及离子传输性能的调控。(A) 在不同硫酸盐²⁻离子浓度（0–2 M）中浸泡制备的 SCPNH 外观。(B) 不同浓度硫酸钠溶液中聚合物结晶域密度的变化。(C) 经不同硫酸盐²⁻离子浓度处理制备的水凝胶的Voc和Isc值。(D) 经不同硫酸盐²⁻离子浓度处理制备的水凝胶的Pmax值。数据表示为平均值±标准差（n = 3）。

图6 盐析型CMC-PVA纳米流体水凝胶（SCPNH）的高效渗透能转换性能。(A)通过 SCPNH 进行渗透能收集的实验装置示意图。(B)在正向和反向扩散方向下，于50倍氯化钾浓度梯度条件下测得的 SCPNH 的I-V曲线。(C)采用不同PVA/CMC质量比制备的 SCPNH 产生的Voc和Isc值。(D)采用不同PVA/CMC质量比制备的 SCPNH 计算得出的Pmax值。(E) SCPNH 在50倍盐度梯度下输出功率密度与电流密度随负载电阻的变化关系。在0.5 M/0.01 M氯化钾盐度梯度条件下，当负载电阻约为6 kΩ时，输出功率密度达到最大值约12.6 W·m⁻²。(F) SCPNH 膜基RED器件的稳定性测试。(G)Isc和Voc随氯化钾浓度梯度升高而增加。(H)通过阳离子转运数（t⁺）证实了 SCPNH 的超高离子选择性；该特性定义为在一系列氯化钾浓度梯度（低浓度侧固定为0.01 mM）下测得的跨膜离子转运数。(I) SCPNH 的梯度依赖性发电性能及相应的能量转换效率。(J) SCPNH 在五倍、50倍及500倍氯化钾盐度梯度下的电流密度与输出功率密度；低盐度溶液固定为0.01 M氯化钾。高盐溶液的浓度可在0.05至5M氯化钾范围内调节。(L)在50倍浓度梯度下，比较了 SCPNH 与已报道的各种膜（包括层状膜、聚合物膜、异质膜、Janus膜及水凝胶基膜）之间的能量转换效率。

期刊：Advanced Functional Materials

题目：Ion-Specific Engineering of Hydrogel Nanopores for Robust and Boosted Osmotic Energy Conversion

作者：Xuejiao Lin, Shenming Tao, Xijun Wang, Yingfan Hu, Pan Chen, Guoping Li, Min Xia, Haisong Qi

接受日期：First published: 26 May 2026

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.76130