Nat. Nanotechnol.: COF单层膜用于高效渗透发电

famous程 2年前 (2022-05-12) 2638浏览

一、【导读】

渗透能（Osmotic power），是由不同浓度的盐溶液混合时产生的，是一种可规模化、可持续的清洁能源，也被称为“蓝色能源”。在浓度梯度的驱动下，正负离子通过选择性透过膜的速度不同，膜两侧会产生电势差，从而在外电路产生电流。渗透能的收集效率，即渗透发电效率主要取决于选择透过性膜的性能，即离子电导性以及对正负离子的透过选择性。其中，表面带电的超薄二维材料，如氮化硼、二硫化钼、石墨烯等由于较低的膜电阻，是用于渗透发电的理想材料。但是传统的二维材料难以获得高密度、尺寸均匀的纳米孔；并且低的膜电阻会导致不可避免的浓差极化现象，特别是孔密度增加时，膜两侧的浓度差难以保持，会引起渗透电压和电流的快速下降。因此，如何制备具有高孔密度和均匀孔尺寸的选择性透过膜，在保证离子选择性的基础上提高离子电导性是实现高效渗透发电的关键。

二、【成果掠影】

近日，国家纳米科学中心的唐智勇与李连山研究员（共同通讯作者）等人，利用具有有序孔排列的共价有机框架（COF）单层膜实现了极低的膜电阻和超高的离子电导率。将制备的COF单层膜用于混合人工海水/河水的渗透发电，可以获得超过200 W m-2的前所未有的输出功率密度。这项工作开辟了原子级精确结构的多孔单层膜在渗透发电中的应用。相关研究成果以“Advancing osmotic power generation by covalent organic framework monolayer”为题发表在Nature Nanotechnology期刊上。

三、【核心创新点】

  1. COF材料具有高的孔密度和均匀的孔尺寸，通过预组装界面聚合反应制备的COF单层膜可以实现超低的膜电阻，提高离子电导性和电流密度。
  2. COF膜中相邻纳米孔间的孔-孔耦合效应可以有效抗衡膜两侧的浓差极化，抑制电流电压的下降。
  3. 将制备的COF单层膜应用于混合人工海水/河水的渗透发电，可以获得高达200 W m-2的输出功率密度。

四、【数据概览】

图1. COF单层膜的形貌和结构表征 © 2022 Springer Nature

（a）盐浓度梯度驱动下离子穿过COF单层膜的示意图。

（b）基于密度泛函理论计算的ZnTPP-COF模拟结构。

（c）ZnTPP-COF单层膜的SEM图像。

（d）ZnTPP-COF单层膜的AFM高度图像。

（e，f）大范围（e）和高分辨（f）的ZnTPP-COF单层膜的STM图像。

图2. 跨膜离子电流和电压表征  © 2022 Springer Nature

（a）0.1 M KCl溶液中COF单层膜的电流-电压曲线（膜支撑基底SiNx片含2 μm宽的单孔）。

（b）不同浓度梯度比的KCl溶液中COF单层膜的电流-电压曲线（CH，CL分别代表高低浓度）。

（c）渗透电流（Ios）与渗透电压（Vos）与浓度梯度比之间的函数关系。

（d）通过跨膜离子迁移数（t+）确定离子选择性。

（e）中心单孔的模拟Ios与KCl浓度梯度比的函数关系。

（f）COF单层膜实验测得的Ios与模拟值的比较。

图3. NaCl溶液中的渗透发电   © 2022 Springer Nature

（a）0.5 M NaCl/0.01 M NaCl溶液中COF单层膜的电流-电压曲线。

（b）0.5 M NaCl/0.01 M NaCl溶液中的电流密度和输出功率密度对外部负载电阻的依赖关系。

（c）使用ZnTPP-COF单层膜的渗透发电性能与文献报道的其他优异结果进行对比，主要包括膜厚、孔密度、输出功率密度等方面。

图4. 多价离子电解液中渗透发电性能的提高   © 2022 Springer Nature

 

（a）不同电解液中ZnTPP-COF单层膜的输出功率密度。

（b）渗透电流（Ios）与渗透电压（Vos）与阳离子扩散系数之间的函数关系。

（c）人工海水/人工河水混合溶液中的电流密度和输出功率密度对外部负载电阻的依赖关系。

（d）最大输出功率密度条件下ZnTPP-COF单层膜的电流密度-时间曲线。

（e）ZnTPP-COF，NiTPP-COF和CuTPP-COF单层膜在0.5 M NaCl/0.01 M NaCl溶液、人工海水/人工河水溶液中的Ios与Vos的总结。

（f）ZnTPP-COF，NiTPP-COF和CuTPP-COF单层膜在0.5 M NaCl/0.01 M NaCl溶液、人工海水/人工河水溶液中的输出功率密度的总结。

五、【成果启示】

本工作中， COF单层膜的高孔密度和均匀孔尺寸，可以实现超低的膜电阻，同时相邻孔间的孔-孔耦合效应可以有效抗衡膜两侧的浓差极化。另外，利用COF结构的多样性和精确可控性， COF单层膜不仅可应用于高效的渗透发电，而且有望为其他低阻膜的应用提供新的研究思路，例如气体分离、离子筛分、质子传导、海水淡化、蛋白质纯化等，具有十分重要的研究价值与意义。

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