新型通透膜可大幅提高整流率和能量收集
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“浓度极化”问题的存在，限制了传统反向电渗析膜的性能和应用。科学家研制出一种新型多相不对称膜，很好地解决了该问题，从而大幅提高膜的整流率和能量收集，其未来应用前景非常广阔。
在工程改造的多相不对称膜中，有一种不对称体现在PET膜的孔状结构上，如图b, c所示，膜中的锥状孔的一端开口较大，另外一端开口较小。而BCP膜拥有不同大小的孔隙，这可以从图d, e中看到。（来源：©2015美国化学学会）
据Phys.org报道，研究人员已经构建了一种新型纳米多孔膜，这种膜选择性控制离子通过的表现非常突出，例如若允许负离子通过，那么正离子的通过将会受到阻隔。为了阐明这种膜的一项可能的应用，研究人员把膜制成能量转换装置，这种装置通过分开正负带电粒子而收集能量。这项技术与反向电透析非常相似，但是该膜结构克服了一直存在于传统反向电渗析的一项不足，从而提高了产能。
中科院的科学家张震（音）和闻利平以及他们的合著人在近期出版的《美国化学协会期刊》上发表了关于这种新型膜的文章。
研究人员将这种新型膜称为“工程改造的多相不对称膜”。“工程改造”指的是，将使用在活体器官上的易碎性细胞膜进行改性，使其变得牢固耐用；“不对称”是因为该膜两侧对离子的筛选有所不同；“多相”是因为膜两侧是由不同的材料组成，这里研究人员使用了两种高分子材料：嵌段共聚物（BCP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。虽然并不是所有不对称膜都是多相的，但是相比于使用单一材料制造的不对称膜，多相膜拥有一些绝对的优势，比如易于制造以及拥有极强的多功能性。
这种新型膜最大的特点就是，它能在一个方向增强离子的通过而在相反的方向上阻止其通过。因此，在离子的通透方向上能产生非常大的电流，而反方向上基本上没有电流流过膜，这被称为“离子电流整流”。这种新型膜的整流率大约为1075，这比迄今为止报道过的最高整流率高出一倍多。整流率表明了电荷流的非对称性，这是由新型膜的不对称（包括化学不对称、几何不对称和电荷不对称）引起的，使得新型膜在多种应用领域都有极大的吸引力。
闻利平告诉Phys.org，“在控制电子传输方面，新型膜的表现与半导体二极管的机理非常相似，同时新型膜的性能表明它有定向传输特定种类的分子或离子以及控制它们通过数量的能力。”
“这种新型膜将会开启控制液体中分子或离子种类的新模式，同时也表现出了在多个领域广泛的应用前景。与半导体电子电路非常相似，高整流率的纳米射流二极管是离子电路的关键结构单元，该结构单元可以调节、传感、浓缩和分离电解质溶液中的离子和分子。同时，在以不对称膜为基础的光电能量转化系统中，高整流率是希望被看到的，因为相反方向的跨膜离子传输将会降低能量密度。”
作为一种能量转换装置，这种新型膜的功能与反向电渗析非常相似，膜两侧离子浓度的不同（例如，带负电的氯离子和带正电的钾离子）使得能量得以被收集。在浓度梯度下，氯离子自发地跨膜扩散使得浓度梯度降低，同时离子扩散引起的电流产生能量，这些能量就可以被收集起来。
研究人员预测，该新型膜每平米可以产生上千瓦特的能量输出，这与一些商用反向电渗析膜产生的能量相当并且有可能超越这些商用膜的产能。为什么该新型膜会有如此好的表现？研究人员发现，这种新型膜的不对称性使得它可以克服干扰传统反向电渗析膜的“浓度极化”问题。“浓度极化”的产生是因为，在氯离子浓度较低的一侧，在允许带正电荷离子通过的开口处，氯离子趋向于聚集在一起，使得这些区域的氯离子浓度大大高于其在该侧溶液其他区域的浓度，这就使得跨膜的离子浓度差明显小于预期，从而使跨膜扩散的氯离子大大减少。
这种新型膜不仅消除了“浓度极化”的问题，并且使得在这些开口处的氯离子浓度低于该侧溶液其他部分的氯离子浓度，从而大大促进了离子扩散。研究人员认为，这种现象的产生是由于膜的不对称结构和带有轻微负电的孔隙造成的，这与传统膜的对称结构和带正电的孔隙恰恰相反。
闻利平说，“当这种新型膜被应用于盐度差发电时，由于浓度极化问题的解决，输出的能量密度可以极大地增高，这对于现存的以离子交换膜为基础的能量转换系统的发展起到了指导性作用。”
将来，研究人员希望能够进一步改良这种膜，使得它可以实现多领域应用，如发电、水净化和海水淡化等。
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