DOI: 10.1002/advs.202202869

离子选择性膜可以通过反向电渗析将渗透能直接转化为电能。然而，开发一种同时具有高功率密度、优良机械强度以及便于大规模生产的先进膜以实现实际渗透能转换仍然具有挑战性。在此，本研究通过简单的刮刀涂布方法制备了具有互连三维（3D）纳米流体通道的超薄、超强Kevlar芳纶纳米纤维（KANF）膜。带负电荷的3D纳米通道显示出典型的表面电荷控制纳米流体离子传输，以及优异的阳离子选择性。当应用于渗透能转换时，KANF膜基发电机的功率密度达到4.8W/m2（海水/河水），在328K时可进一步提高到13.8W/m2，高于大多数现有的膜。重要的是，4µm厚的KANF膜显示出超高的拉伸强度（565MPa）和杨氏模量（25GPa）。该发电机还具有120天以上的超长稳定性，在实际能量转换中显示出巨大潜力。

图1.KANF膜基纳米流体渗透能量收集装置的制备方案。使用DMSO和KOH的混合溶液可以将Kevlar纱线拆分成纳米纤维。通过刮涂法，可以获得自支撑且坚固的KANF膜。由于KANF上存在羧基，制备的KANF膜具有阳离子选择性。在两室电化学电池中构建KANF膜，以从具有不同盐度梯度的离子溶液中获取渗透能。

图2.KANF膜的表征。a）KANF的TEM图像和直径分布（插图）。b）自支撑透明KANF膜及其卷曲状态（插图）。c,d）分别为KANF膜的横截面和表面SEM图像。e）由BET结果得出KANF膜的孔径分布。f）KANF膜中C1s的高分辨率XPS光谱。g）KANF膜的FTIR光谱。h,i）不同厚度KANF膜的拉伸强度曲线和杨氏模量。（h）的插图显示，2μm厚和5mm宽的膜可以承载200g的重量。误差线代表标准差。j）KANF膜与最先进膜的力学性能比较。

图3.KANF膜的离子传输特性。a）离子传输测量示意图。b）不同厚度和不同KCl浓度（插图）的KANF膜的I-V曲线。c）KANF膜的离子电导率与电解质（KCl）浓度之间的函数关系。当浓度<10-3 M时，测试的电导率逐渐偏离本体溶液，表明表面电荷控制的离子传输行为。插图说明了不同浓度下简化纳米通道中的离子传输。d）在50倍KCl的浓度梯度下测量的KANF膜的前向和后向扩散I-V曲线，以及相应的实验装置示意图。扩散电流的方向与阳离子从高浓度到低浓度的净流量方向一致，表明KANF膜具有阳离子选择性。e）KANF膜在不同KCl浓度梯度下的I-V曲线。f）产生的扩散电位和扩散电流与KCl浓度梯度的函数关系。误差线代表标准差。g）KANF膜的阳离子迁移数（t+）与浓度梯度的关系。h）KANF膜的膜zeta电位与pH的函数关系。插图显示了纳米纤维上带负电荷的基团。

图4.KANF膜基发电机的渗透能转换行为。a）发电机提供外部电阻的等效电路。三种盐浓度梯度下，b）KANF膜的电流密度和c）相应功率密度与负载电阻之间的函数关系。d）输出功率密度随着浓度梯度的增加而增加，在500倍浓度梯度下达到最大值（约15.0W/m2）。e）不同电解质下膜的输出功率密度。误差线代表标准差。f）不同温度下KANF膜的输出功率密度。g）KANF膜基发电机在120天内显示出超长的运行稳定性。h）KANF膜与最先进的膜的能量转换性能对比。

图5.串联堆栈KANF膜基发电机的功率输出。a）串联堆栈发电机方案。b）串联堆栈KANF膜基发电机的I-V曲线（从1个单元到10个单元）。c）发电机产生的电压与单元数量之间的函数关系。d）10个单元发电机连续工作160分钟以上产生的电流和电压。e）10个单元KANF膜基发电机可为计时器供电。