渗透能，这一利用自然界中海水与淡水之间的盐度差异来提取能量的技术，正迅速成为全球能源领域关注的焦点。它不仅代表了一种响应全球清洁能源需求的创新途径，且为缓解全球气候变化和温室气体减排，提供了切实可行的解决方案。尽管渗透能转换技术在理论和小规模实验中显示出巨大潜力，但在实际大规模应用中仍面临诸多挑战，包括高成本的离子交换膜、复杂的制造工艺以及能量转换效率的提升。这些挑战限制了技术的商业化进程和广泛应用。
针对这些挑战，科研人员通过不断的技术创新，取得了突破性进展。近日，哥廷根大学杨婷，庞博和张凯&上海应用技术大学张茗皓在《Chemical Engineering Journal》期刊上，发表了最新研究成果“Advanced ion-selective wood membranes: Leveraging aligned cellulose nanofibers for enhanced osmotic energy conversion”。第一作者为哥廷根大学杨婷博士。研究者们通过使用天然木材进行化学改性和致密化工艺开发了一种新型的离子选择性木材膜（ISWM），不仅显著提升了材料的离子选择性，还大幅降低了材料成本并简化了制备流程。这种创新的材料和技术，有效解决了渗透能转换技术中的一些关键问题，包括提升能量转换效率、减少环境影响以及提高经济可行性。
此外，由定向纳米纤维组成的层状结构在低KCl浓度下将离子电导率提高了4倍。带电和排列的纳米通道作为纳米流体通道，促进选择性离子传输。在ISWM-RED能量收集系统中，电化学电位差和离子通量的协同作用表现为显著的输出功率密度，达到高达658 mW/m²的KCl盐度梯度50倍。ISWM为生产天然纳米流体材料提供了一种成本效益高且易于准备的解决方案，为开发针对高效渗透能收集的高性能纳米流体RED设备提供了一个有希望的轨迹。
图1：ISWM膜的制备和特性。
在化学改性和随后的干燥致密化之后制备ISWM膜。SEM图像显示显示了负膜的纵向截面，而图1d显示了正膜的横截面。这些图像揭示了高度对齐的纤维素纳米纤维，这些纳米纤维在致密化过程中形成了纳米流体通道（图1c, d）。ζ-电位是衡量材料表面电荷密度的一个指标，从桦木的-18 mV变化到负膜的-40 mV，表明了化学处理后木材表面负电荷的增加（图1d）。与使用天然纳米流体膜（例如木材膜和丝瓜膜等）相比，ISWM-RED具备更高的离子电导率，提供更高输出功率密度，这意味着它们具有在渗透能转换设备中应用的潜力（图1b）。
图2：木材膜的电化学特性。
图2 通过一系列电化学测试和数值模拟详细描述了木材膜的离子传输特性和稳定性。具体来说，在10−4 M KCl溶液中，与KCl体积溶液相比，负膜和正膜的离子电导率显著提高，分别达到8.5 × 10−4 ± 3.5 × 10−5 S cm−1和1.0 × 10−3 ± 6.6 × 10−5 S cm−1，而天然木头的电导率为1.5 × 10−4 ± 5.6 × 10−6 S cm−1（图2e）。数值模拟显示，在−2.89 mC m−2的表面电荷密度下，负膜中正离子浓度在通道内的增加，特别是靠近通道壁处，与实验中观察到的阳离子选择性一致（图2f）。电化学阻抗谱测量的Nyquist图中，负膜和正膜的电荷转移电阻（Rct）分别约为90 kΩ和101 kΩ，显示出较低的内部电阻（图2g）。在外部偏压在+1和−1 V之间交替变化的情况下，电流-时间曲线显示了55分钟内电流的稳定传输，证明了木材膜在长期操作中的卓越循环稳定性（图2h）。这些结果共同突显了木材膜在渗透能转换应用中的巨大潜力。
图3：ISWM的离子选择性和跨膜离子传输特性。
图3详细展示了离子选择性木材膜（ISWM）的离子传输特性和选择性，通过测量不同浓度梯度下的I-V曲线揭示。负膜在10倍浓度梯度下表现出约54 mV的膜电位，并在1000倍浓度梯度下增加到103 mV，显示了对阳离子的高度选择性，而正膜则表现出对阴离子的偏好，在10倍浓度梯度下产生约50 mV的膜电位，并在1000倍浓度梯度下增加到101 mV。随着浓度梯度的增加，两种膜的离子选择性均有所降低，但即便在1000倍浓度梯度下，它们仍然保持了较高的选择性。这些结果不仅证实了ISWM在不同操作条件下的性能，也展示了它们在渗透能转换系统中作为有效离子选择性的潜力。
图4：ISWM-RED设备在渗透能收集过程中的应用。
此外， ISWM-RED设备在在不同浓度梯度下的离子选择性传输来产生电能，展现出其优异渗透能转换能力。证明了ISWM在实际渗透能转换设备中的可行性和高效性。因此，这项研究不仅展示了木材在高技术应用中的新潜力，也为开发高性能的纳米流体RED设备提供了新的方向，这些设备能够有效地从可再生和丰富的自然资源中收集渗透能。随着这项技术的进一步发展和商业化，我们有望见证渗透能转换技术在全球能源供应中的重要作用。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153891
人物简介：
张凯，德国哥廷根大学终身教授，博士生导师，生物技术中心主任、木材技术和木质复合材料系主任。2011年于德累斯顿工业大学化学(植物与木材化学)获得博士学位后，先后在德累斯顿工业大学、宾夕法尼亚州州立大学和达姆施塔特工业大学担任研究员，于2015年加入哥廷根大学。目前主要从事绿色化学合成、多糖、表界面科学及可持续功能材料等。在Nature Sustainability, Nature Communications, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, ACS Nano等期刊上发表论文160余篇。
庞博，新加坡国立大学助理教授，博士生导师，2020年于德国哥廷根大学获得博士学位后，先后在德国马普胶体与界面研究所和瑞典斯德哥尔摩大学从事博士后研究，于2024年加入新加坡国立大学。瑞典Wenner-Gren 基金会及欧盟玛丽居里项目资助获得者，研究主要集中于多糖基胶体功能材料的构建及其应用探索上。在ACS Nano、Nano-Micro Letters、Materials Horizons、Small等杂志发表多篇论文。
张茗皓：上海应用技术大学材料科学与工程学院校聘副教授，硕士生导师，入选上海市白玉兰人才计划浦江项目。主要研究领域：纳米材料，能源转换与储存器件。以共同通讯/第一作者在Nano letters, Nano energy，Energy Storage Materials等期刊发表多篇论文。
