【背景介绍】
目前，以天然黏土为原材料构筑的二维纳流体离子选择膜借助纳米限域效应与表面电荷作用，可精准调控离子输运行为，在渗透能捕获、离子分离等场景拥有巨大应用潜力。然而，该类膜也面临着与其他二维层状材料共有的关键技术瓶颈：纳米片堆叠后形成迂回冗长的传质通道，大幅提升离子迁移阻力、降低膜离子电导率，进而严重限制离子渗透通量。因此，构筑高渗透通量的二维黏土基纳流体膜，是该领域亟待攻克的核心难题。
【工作简介】
近日，北京工业大学张倩倩教授与新加坡国立大学张岁教授合作提出了一种构筑高密度垂直通道黏土基纳流体膜的策略，成功实现了离子高渗透通量与高选择性的协同传输，并进一步将膜材放大化，应用于规模化渗透能捕获。该膜的技术优势体现在两个方面：其一，高密度垂直通道赋予纳流体膜短程畅通的离子传输路径，显著提升了离子通量；其二，高表面电荷密度的纳米片赋予膜材优异的阳离子选择性。此外，无机纳米片与有机交联剂之间的强结合作用大幅增强了膜的机械强度，为其规模化应用奠定了坚实基础。
实验表征与理论计算共同证实，该结构设计的二维纳流体膜兼具高孔隙率（24.55 %）、高表面电荷密度（-8.17 mC m-2）以及大面积可制备性（675 cm2）。凭借高电荷密度的短程离子传输通道，该膜在50倍NaCl盐度梯度下实现了高达570 A m-2的电流密度和优异的阳离子选择迁移数（t⁺=0.91）。在天然海水/河水条件下，其最大输出功率密度达20.8 W m-2，并保持稳定运行超过18天。尤为重要的是，创新设计的并联膜孔结构盐差电池，成功突破了纳米流体能量系统中随着膜面积扩大而导致能量输出下降的瓶颈。基于此集成的含储能模块的盐差电池组件，可产生充足电能以驱动电致变色显示器、小型风扇等瓦级商用电子设备，充分展示了其在规模化盐差能捕获中的巨大应用潜力。该研究为高性能二维离子膜的设计与构筑提供了全新策略。相关成果以 “High-flux 2D clay nanofluidics for substantial osmotic energy harvesting” 为题发表于国际著名期刊《Advanced Energy Materials》，北京工业大学材料学院博士研究生刘冰为本文第一作者。
【图文导读】
图1 高通量黏土基纳流体膜（HF-NFM ）的设计与表征
图2 HF-NFM的跨膜离子传输行为
图3 HF-NFM的天然渗透能收集行为及长周期稳定输出
图4 基于HF-NFM集成的高能量盐差电池组
【结论与展望】
本工作开发了一种高密度垂直通道的黏土基纳流体膜，兼具高离子渗透通量和高离子选择性，实现了高效的渗透能量持续稳定输出，在离子筛分和海水淡化等领域也展现出重要的应用潜力。
【原文链接】
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.71217
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【通讯作者简介】
通讯作者：张倩倩，北京工业大学教授，博士生导师，主要从事功能离子膜与新体系离子电池研究。近年，在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、J. Membr. Sci.、Chem. Eng. J.等重要期刊发表学术论文100余篇，被引用4000余次，H因子36，原创性工作被评选为“北京地区广受关注学术成果”；获授权国家发明专利11项，实现技术转化3项；作为负责人主持国家自然科学基金项目、军委科技委重点工程项目、北京市自然科学基金项目和市科技委课题等10余项；荣获北京市科技新星、北京市科协青年托举人才、北京市属高校教师队伍建设优秀青年人才等奖励。
通讯作者：张岁，现任新加坡国立大学化学与生物分子工程系（NUS ChBE）副教授，致力于研究膜分离及其在水处理、碳中和、清洁能源等相关领域的应用，近期侧重于微孔高分子材料的设计及传输机制。以第一或通讯作者在Science Advances、Nature Communications、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Journal of Membrane Science等国际期刊发表论文100余篇，总引用9千余次。获全球华人化工杰出青年女科学家奖（2023年）、新国大教师研究奖（2022年）、美国化工学会新加坡杰出青年教师奖（2021年）等奖项。此外，还担任Desalination and Water Treatment编辑，及Advanced Membranes、npj Clean Water等期刊编委。
