据X-MOL资讯微信公众平台2019年1月6日讯 浩瀚的蓝色海洋蕴含着无穷的资源和能量，有希望成为日渐枯竭的传统化石能源的重要替代选择。目前，蓝色海洋能源/经济的开发利用成为全球各国可持续发展战略实施的关键环节。除了人们熟知的海上风能、潮汐能等蓝色能源之外，江河入海口由于海水和淡水盐度存在显著差异，两者界面混合存在渗透压、稀释/吸收热、盐度电位差等盐差能，是另一种典型的蕴涵量巨大的海洋绿色清洁新能源。
　　近日，中国科学院理化技术研究所江雷院士团队周亚红博士与吉林大学姜振华教授研究团队合作，通过两种离子型聚合物的巧妙精确组合，成功制备了系列表面电荷密度和孔隙率可调控的大面积3D Janus多孔膜。在电场或化学梯度场下，该Janus膜在高盐环境下具有离子电流整流特性和阴离子选择性，可利用盐差能发电，展现出卓越的性能。在模拟海水/淡水盐度差条件下功率密度可达2.66瓦/平方米，而在500倍浓度梯度下功率密度更是高达5.1瓦/平方米。

3D Janus多孔膜制备过程及其孔结构表征（图片来源：Sci. Adv.）

　　研究团队通过分子结构设计，制备了表面带负电荷的磺化聚芳醚酮离子聚合物（PAEK-HS）和表面带正电荷的含吡啶侧基聚醚砜离子聚合物（PES-Py）；通过旋涂、相分离等自组装手段进行膜结构/性能的精确调控，大面积制备了具有均匀3D多孔结构的Janus微孔滤膜。PES-Py膜厚1μm、孔径8.50±2.37nm、孔隙率13.82±1.37%，PAEK-HS膜厚10μm、孔径17.05±6.06nm、孔隙率22.4±1.9%。

侧基含量对PAEK-HS膜结构的影响（图片来源：Sci. Adv.）

　　此外，通过离子聚合物（PAEK-HS）侧基含量的控制可实现多孔膜表面电荷密度和孔隙率的精确调控。随着侧基含量的增加，表面电荷密度、孔隙率增加。实验和理论分析表明该3D Janus多孔膜的表面高电荷密度和较窄的孔径分布赋予多孔膜在高盐体系中良好的离子选择和整流性能。Janus膜表面的高电荷密度打破了盐浓度对于离子选择和整流的限制，降低了膜内能量损耗，保证了Janus膜的高功率转换效率。

3D Janus膜离子传输性能表征（图片来源：Sci. Adv.）

　　通过负载电阻和膜电阻对Janus膜输出功率和输出电流密度的系统考察，多孔膜的高孔隙率能够提高器件的输出功率密度。将该Janus多孔膜（Janus PES-Py/HS20）用于盐浓差渗透驱动发电，基于模拟海水/淡水盐度差实现发电机输出功能率达2.66瓦/平方米，在更高盐度差环境下（浓度梯度500倍）输出功率可提高至5.1瓦/平方米。

3D Janus多孔膜的超高输出功率密度（图片来源：Sci. Adv.）

　　基于离子聚合物稳定的刚性骨架分子结构，该3D Janus多孔膜展现出优异机械性能、耐热性能及耐水性。此外，串联结构的Janus多孔膜盐浓差发电体系能够驱动计算器稳定工作120h而未呈现电流衰减，表明该Janus多孔膜发电机具有卓越的物理/化学稳定性。

3D Janus多孔膜物/化性测试及串联发电应用（图片来源：Sci. Adv.）

　　总结
　　该文（Unique ion rectification in hypersaline environment: A high-performance and sustainable power generator system; Xuanbo Zhu, Junran Hao, Bin Bao, Yahong Zhou,* Haibo Zhang, Jinhui Pang, Zhenhua Jiang,* Lei Jiang; Sci. Adv., 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aau1665
）基于不对称多孔膜结构-性能的精确调控，制备了具有稳定高输出功率密度的盐浓差发电系统。膜表面的高电荷密度和均一的孔径分布赋予了器件优异的离子传输性能，该研究成果推进了盐浓差发电领域对于微纳孔道离子传输和材料功能化设计的理解；为设计/构筑新型、高效清洁能源器件奠提供了新的策略和借鉴。