成都理工大学汪健课题组 JECE||离子对穿透抗膨胀水凝胶膜，实现高效的渗透能转换

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成果简介

近日，成都理工大学汪健课题组在国际知名期刊《Journal of Environmental Chemical Engineering》（IF=7.5）发表论文“Ionic pair-interpenetrated anti-swelling hydrogel membranes for efficient osmotic energy conversion”，研究团队采用化学修饰与结构优化协同策略，通过乙烯基咪唑（VI）与甲磺酸（MSA）形成离子对，显著增强离子传输特性；同时MSA引入的磺酸基团与凝胶基质构建多重氢键，有效稳定网络结构、抑制溶胀，并形成微尺度互联孔隙，提高空间电荷密度和传输效率。基于调节的界面电荷与独特输运网络，AVM凝胶展现出优异的阳离子选择性，在50倍NaCl梯度下功率密度达74.01 W·m-2，且长期运行9天后功率保持率达89.66%，兼具出色的抗溶胀和抗脱水能力。该工作为水凝胶中电荷基团的多功能利用及抗膨胀多孔材料设计提供了有效策略。

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研究背景

化石燃料过度使用加剧能源危机与环境恶化，渗透能（盐度梯度能）作为储量巨大的可再生资源备受关注。反向电透析（RED）是获取渗透能的主要技术，其核心离子选择性膜的性能决定能量转换效率，但传统RED膜受限于选择性低、传输阻力高、离子通量不足及稳定性差等问题。水凝胶膜因三维多孔结构、高含水率和丰富官能团而具备应用潜力，然而现有水凝胶普遍存在交联密度不足、电荷功能化欠缺、导电性低、网络不稳定及保水性差等缺陷，难以实现高功率输出。

本研究通过原位聚合制备了丙烯酰胺/乙烯基咪唑/甲磺酸（AM/VI/MSA）多孔水凝胶膜（AVM-gel）。其中，MSA的磺酸基团与VI的咪唑阳离子形成离子对，增强电荷密度与道南电势差，同时通过多重氢键调控孔径并赋予优异的保水抗溶胀性能；三维交联电荷网络大幅提升离子电导率和阳离子选择性。在模拟海水/河水体系（50倍盐度梯度）下，AVM-gel膜的功率密度达74.01 W·m-2，远优于未掺杂MSA的对照膜（2.97 W·m-2）。该材料制备工艺简便温和，兼具高性能、结构稳定性和规模化制备可行性，为下一代RED膜设计及渗透能实用化提供了新思路。

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相关数据

图1。AVM-凝胶合成示意图。（a）AVM-凝胶的制备。（b）MSA使VI的质子化。（c）丙烯酰胺和醋酰咪唑盐的聚合物链。（d） 水凝胶膜离子输运和渗透能转换实验装置示意图。

图2。AVM凝胶和AV-凝胶的表征。（a）AV-gel和AVM-gel的顶视图FESEM图像。（b）孔径分布直方图。（c）AV-凝胶和AVM-凝胶的横断面FESEM图像。（d）在MSA存在或缺失情况下的FTIR光谱。（e）含有和无MSA的水凝胶在不同pH值下的Zeta电位。（f）XPS调查AVM凝胶膜在固定VI含量下具有不同MSA载荷（0–2.5克）的光谱。

图3。水凝胶的保水和抗膨胀特性。（a）AV-凝胶和AVM-凝胶网络结构的示意图，用于保持水分。（b）在10天体重保持测试中拍摄的AV-gel和AVM-gel的光学照片。（c）有无MSA的水凝胶归一化重量保持率与时间之间的关系。（d）不同浓度溶液中AV-凝胶和AVM-凝胶膨胀比随时间变化。

图4。AVM凝胶的离子传输特性及渗透能转换性能。（a）AVM凝胶多孔网络中界面电荷调控离子输运的示意图。（b）AVM-凝胶在高低浓度条件下的I-V曲线。（c）开路电压和短路电流作为浓度梯度的函数。（d）AVM-凝胶在不同KCl溶液浓度梯度下的离子选择性。误差条表示三个独立检验的标准差。（e）AVM-凝胶在不同KCl溶液浓度梯度下的能量转换效率。误差条表示三个独立检验的标准差。（f）AVM-凝胶与AV-凝胶在不同电解质浓度下的电导率比较。（g）AVM凝胶正反两侧的I-V曲线。（h）AVM-凝胶在交替+1伏和−1伏偏置下的当前响应，持续60分钟。

图5。AVM-凝胶在不同条件下的渗透能转换行为。（a）不同厚度AVM凝胶的最大输出功率密度。误差条表示三个独立检验的标准差。（b）AVM-凝胶与AV-凝胶之间的功率与电流密度比较。误差条表示三个独立检验的标准差。（c）在50倍盐度梯度下，有效测试面积约0.03毫米时输出功率密度的比较2.（d）AVM-凝胶（厚度500微米）在不同电解质下的最大输出功率密度。误差条表示三个独立检验的标准差。（e）AVM凝胶（厚度为500微米）在5倍、50倍和500倍NaCl盐度梯度下，随载荷抵抗变化时的输出功率密度。（f）AVM-凝胶（厚度500微米）在9天内在50倍NaCl盐度梯度下测量的最大输出功率密度。

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DOI:10.1016/j.jece.2026.123924

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