北航江雷院士、高龙成副教授《Sci. Adv.》：在盐差能转换方面取得新进展

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在河流入海口，由于海水和河水浓度差存在着盐差能，作为一种储量丰富的可再生清洁能源，有望缓解化石能源带来的环境污染，全球变暖等问题。基于离子选择性的膜的反电渗析电池是实现盐差能转换为化学能的最有前景方式。但是作为其中的核心部件——离子选择性膜存在着离子通量小，无法实现盐差能的高密度转换（>5 W/m^-2）的问题。

为了解决这一难题，江雷院士、高龙成副教授课题组向自然学习，借鉴了生命体中氯离子通道的结构特点，在已有大面积制备高机械强度、高孔密度聚合膜的基础上（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 13056; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8905），将超支化聚乙烯亚胺（PEI）分子精准地修饰纳米孔的端口处，构筑了蘑菇形的不对称纳米孔阵列膜，该方法具有快速、精准、可大面积制备等优势。

图1. 高机械强度，超高孔密度，具有薄选择层的不对称膜的制备路线

通过原子力显微镜测试发现在水溶液中PEI发生溶胀，形成3D空腔网络，为离子传输提供通道。通过“标度理论”分析，每个 “蘑菇帽”表面含有数十个离子传输通道，因此，不对称纳米孔膜的离子通道密度达到10¹² cm^-2。不对称膜表现出优异的离子二极管行为，有效的抑制了浓差极化，实现了高效的盐差能转换，功率密度达到22.4 W/m^-2。这种利用单分子层构建不对称薄膜的理念为海水淡化、离子筛分和盐差能转换等隔膜的设计提供了新思路。

图2. 空气和水下原子力显微镜测试验证不对称膜具有超高的孔密度

该工作发表在Science Advances（Sci. Adv. 7, eabg2183 (2021)）。论文第一作者是北航化学学院李超博士，通讯作者为高龙成副教授。该工作得到江雷院士的指导和闻利平研究员的大力支持。

原文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/21/eabg2183

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