北工大Nano Energy：二维温度门控阳离子通道应用于可控渗透能收集

【引言】

哺乳动物通过激活初级感觉神经元中的温敏型瞬态受体电位（thermoTRP）阳离子通道来感应温度。当环境温度达到高温阈值时，一些thermoTRP离子通道发生构象变化打开通道选择单价阳离子和二价Ca²⁺通过，细胞膜两侧形成的离子浓度梯度可以产生动作电位促进神经元电信号传导。生物thermoTRP离子通道的温控电信号的特性为渗透能的可控收集提供了新的思路。海水和淡水之间的离子浓差被认为是一种极具前景的可再生能源，常被称为蓝色渗透能。目前，基于阳离子选择性纳米通道的反电渗析技术是收集该能源的重要技术之一。然而，当前的研究大多集中于通过纳米通道功能化提升其渗透能转化效率，这些体系的能量收集和输出通常是不可控的。因此，模仿生物thermoTRP离子通道的温控电信号输出特性，构筑能量输出可控的渗透能收集器件具有重要意义。

【成果简介】

        北京工业大学张倩倩教授等人受生物thermoTRP离子通道启发，发展了一种具有二维纳米孔道结构的温度门控阳离子通道薄膜，基于其构筑的浓差电池可通过温度外场对渗透能收集和能量输出进行可控调节。通过精心设计，他们采用二维纳米片功能化预处理结合重构自组装法，构筑了两种功能分子修饰的蒙脱土基二维纳米通道薄膜。一方面，电负性聚丙烯酸分子的引入有效提升了纳米通道表面负电荷密度和水溶液浸润性，以获得优异的阳离子选择性用于渗透能收集；另一方面，通过温敏性二十八烷基二甲基溴化铵功能物进行孔道修饰，利用高低温条件下分子链构型的变化实现温度对纳米通道孔径的调控，进而获得可控的渗透能收集和输出。该工作将仿生人工纳米通道的智能外场响应特性引入浓差电池体系，这一概念将为蓝色渗透能的可控收集和利用提供新的途径。该成果以题为“Biomimetic temperature-gated 2D cationic nanochannels for controllable osmotic power harvesting”发表在能源领域重要期刊Nano Energy上。

【图文导读】

图1. 模仿生物thermoTRP离子通道构筑的二维温度门控阳离子通道及其渗透能收集系统示意图

图2. 二维温度门控阳离子通道的形貌表征

图3. 二维温度门控阳离子通道的阳离子选择性研究

图4. 二维温度门控阳离子通道应用于渗透能收集

图5. 基于二维温度门控阳离子通道的渗透能收集系统的可控能量收集和输出

【小结】

综上，作者首次提出仿生温度门控阳离子通道应用于渗透能可控收集的概念，发展了具有优异的阳离子选择性和温度门控功能的蒙脱土基二维纳米通道，基于其构筑的浓差电池最大输出功率约为0.15 W/m²，距目前报道的最高值仍有一定距离，但是其能量输出可以通过降低膜电阻来提升。在30 ^oC和60 ^oC的温度外场调控下，体系输出电流的比值可达到9，且电流切换具有良好的可逆性和稳定性。该工作的研究思路和构筑方法为开发具有智能开关功能的新型浓差电池提供新的见解。

文献链接：Biomimetic temperature-gated 2D cationic nanochannels for controllable osmotic power harvesting. Nano Energy, 2020, DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105113a.

张倩倩，北京工业大学校聘教授。2015年博士毕业于北京航空航天大学，导师为翟锦教授和刘兆阅副教授，随后以“卓越百人计划”在北航刁训刚教授团队进行博士后研究工作，2018年入职北京工业大学材料科学与工程学院，获得“优秀人才计划”支持。

张倩倩教授近年来专门从事具有离子输运调控功能的纳米通道薄膜的设计制备，及其在能源转换和电致变色两种离子型器件中的应用研究。作为项目负责人承担国家自然科学基金、北京市自然科学基金项目等共6项。目前，在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy和Adv. Sci.等重要学术期刊发表研究论文40余篇，研究工作多次被选作期刊封面报道。

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。