- 南師大王琛教授/華南師大蘭亞乾教授《自然?通訊》：等離子體電子海綿膜用于納流控滲透能轉(zhuǎn)換
- 發(fā)布日期：2024-05-29
該論文基于多酸和金納米粒子材料設(shè)計(jì)了一種“等離子體電子海綿膜”，并將其用于滲透能收集，研究展示了等離子體電子海綿膜在納流控滲透能收集方面的潛力，強(qiáng)調(diào)了等離子體電子海綿膜在調(diào)整表面電荷、調(diào)節(jié)離子輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)，以及提高納米流體滲透能量轉(zhuǎn)換性能等方面的關(guān)鍵作用。
從海水和河水之間的鹽度梯度中獲得的巨大滲透能是一種極具潛力的藍(lán)色能源，可以通過反向電滲析（Reverse electrodialysis，RED）提取。作為 RED 的核心成分，滲透選擇性膜在納米流體滲透能量收集中起著重要作用。然而，現(xiàn)有的納流控膜的輸出功率密度仍然無法實(shí)現(xiàn)大幅度提升，這主要是由于其滲透選擇性不足增加了吉布斯自由能的損失。到目前為止，通過加入帶電納米材料、接枝官能團(tuán)或修改相結(jié)構(gòu)等方法調(diào)整表面電荷，在一定程度上提高了離子的選擇性。然而，目前的改進(jìn)效果還遠(yuǎn)不能令人滿意，復(fù)雜的制備工藝也嚴(yán)重限制了它們的應(yīng)用，因而迫切需要新的策略用來增強(qiáng)納米多孔膜的表面電荷和實(shí)現(xiàn)高性能滲透轉(zhuǎn)換。
近日，南京師范大學(xué)王琛教授與華南師范大學(xué)蘭亞乾教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上發(fā)表了題為“Polyoxometalate-based plasmonic electron sponge membrane for nanofluidic osmotic energy conversion”的研究論文。在這項(xiàng)工作中，開發(fā)了一種基于多金屬氧酸鹽（Polyoxometalates，POMs）的等離子體電子海綿膜（Plasmonic Electron Sponge Membrane，PESM），用于滲透能量轉(zhuǎn)換。首先，利用液-液界面自組裝技術(shù)制備了Au@POMs納米膜，并將其轉(zhuǎn)移到陽極氧化鋁（Anodic Aluminum Oxide，AAO）表面，形成Au@POMs/AAO納米流體膜（PESM）。其中，Au NPs作為電子供體，H3PW12O40（以下簡(jiǎn)稱PW12）作為電子受體，AAO是支撐Au@POMs納米膜的納米通道基底。在光照射下，連續(xù)的熱電子產(chǎn)生并從Au NPs轉(zhuǎn)移到PW12，而熱空穴被水清除。因此，所制備的PESM為離子穿透提供了更高的電荷密度和更低的能壘，從而提高了界面輸運(yùn)效率，提高了滲透能量轉(zhuǎn)換。此外，Au@POMs和AAO之間固有的結(jié)構(gòu)和電荷不對(duì)稱性使PESM具有穩(wěn)定的離子電流整流（ICR）特性，可以有效抑制離子濃度極化，進(jìn)一步提高離子的選擇性和滲透性。結(jié)果表明，在光照射條件下，由PW12制備的PESM的最大輸出功率密度可達(dá)到70.4W·m?2（500倍NaCl梯度）。采用P2W18和P5W30配體，功率密度可以分別提高到79.6W·m?2和102.1W·m?2。結(jié)果表明，通過改變多金屬氧酸鹽的類型，我們的方法可以推廣到合成具有不同組成和形態(tài)的有序雜化納米結(jié)構(gòu)，對(duì)納流控膜的合理設(shè)計(jì)具有深遠(yuǎn)的意義。
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https://doi.org/10.1038/s41467-024-48613-6
