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一种SNF膜与AAO膜组成的装置开辟渗透能量收集新途径
《高分子科学前沿》微信公众号 / 时间:2019-09-17 08:05:49

  据高分子科学前沿微信公众平台2019年9月16日讯 随着能源需求的不断增长,渗透能作为一种清洁、可持续的能源而被广泛关注。其中,逆向电渗析(RED)是一种很有前途且引人注目的方法,是利用自然水体中的吉布斯自由能。然而,传统RED由于质量输运不足、膜电阻高等限制,对功率密度有较大的限制。此外,目前的膜材料仍存在成本高、制备复杂、输出功率密度低、长期稳定性差等缺点而制约了其实际应用。因此,迫切需要寻求稳定、高效、经济可行的膜材料。基于家蚕丝的纳米纤维(SNF)材料在颗粒分离、柔性电子、隔热纺织品、可穿戴传感器等领域被广泛应用。而阳极氧化铝(AAO)膜具有可控的沟道结构、可接近的表面极性调节和稳定性,因而被广泛应用于模板和基片等领域。因此,将SNF和AAO材料结合用于离子输运或许可以解决上诉问题。


一种SNF膜与AAO膜组成的装置开辟渗透能量收集新途径


  基于此,中科院理化技术研究所研究人员报道了一种高性能的纳米流体装置,该装置的膜是由SNF膜和AAO膜组成。其中,SNF膜是一种具有致密负表面和纳米通道的屏蔽层,在离子输运中起主导作用,而AAO膜为支撑基底,提供可调通道和两性基团。从而建立了一种具有不对称结构和电荷极性的纳米流体膜,具有低电阻、高性能的能量转换和长期稳定性。该系统为可持续发电、水净化和海水淡化提供了新道路。相关工作以题目为“High-performance silk-based hybrid membranes employed for osmotic energy conversion”发表在Nature Communications上。


一种SNF膜与AAO膜组成的装置开辟渗透能量收集新途径

图1.纳米通道膜的制备和表征。(a)SNF/AAO杂化膜的制备示意图;(b)由天然蚕丝中的丝纤维组成纤维的SEM图像;(c)脱胶丝纤维的SEM图像;(d)SNF的TEM图像;(e)杂化膜的横截面SEM图像;(f)杂化膜的示意图;(g)SNF膜表面的SEM图像;(h)SNF膜和脱胶丝纤维的FTIR光谱;(i)SNF膜的孔径分布。

一种SNF膜与AAO膜组成的装置开辟渗透能量收集新途径

图2.杂化膜的稳定性和离子传输。(a)记录杂交膜的I-T曲线以研究通过杂化膜的离子传输的稳定性;(b)作为电解质浓度的函数的杂化膜的离子传导性;(c)测量AAO膜、SNF膜和杂化膜的I-V曲线;(d)基于三种膜的3D模型计算的离子浓度曲线。


一种SNF膜与AAO膜组成的装置开辟渗透能量收集新途径

图3.测试渗透能转换性能。(a)浓度梯度下的能量收集装置的示意图;(b)盐度梯度采集的两种配置;(c)用高浓度溶液测量AAO在不同浓度梯度下的VOC和ISC;(d)AAO/SNF结构的示意图;(e)AAO、SNF和杂化膜在不同pH溶液中的能量转换性能;(f)输出功率密度和电流密度作为负载电阻的函数;(g)在不同盐度梯度下的I-V曲线;(h)在三个盐度梯度下,测量的电流密度随着外部电阻的增加而逐渐减小;(i)对于5、50和500倍盐度梯度的相应输出功率。


一种SNF膜与AAO膜组成的装置开辟渗透能量收集新途径

图4.AAO膜通道尺寸的影响。(a)不同的pH条件下,功率密度随着一系列AAO通道尺寸而变化。(b)在0.01 M NaCl中,pH 3.00~11.00的SNF的Zeta电位;(c)在pH 11.00下具有最佳通道尺寸的混合膜的功率密度;(d)AAO大小对杂化膜能量转换影响的示意图。


一种SNF膜与AAO膜组成的装置开辟渗透能量收集新途径

图5.丝纳米纤维膜厚度的影响。(a)改变SNF膜的厚度;(b)最佳厚度的转折点发生在pH~4.53;(c)离子传输能力的示意图和不同力的影响。


  总之,作者证明了在RED装置中应用基于SNF的杂化膜是一种很有前景的渗透能量收集途径。实验证明具有多相几何、化学和静电势的杂化膜可以促进离子的输运。并且作者筛选了具有选择性功能SNF层的厚度和离子存储AAO通道的尺寸以使能量转换最大化。此外,该杂化膜在较宽的pH值范围内具有较宽的工作环境。在碱性溶液中,该杂化膜具有优异的能量转换性能。得益于β-sheet在丝素蛋白和丰富的氢键而形成SNF/AAO界面的杂化膜具有长期稳定性,并且原材料。因此,在纳米约束环境中引入蚕丝基材料和控制离子输运,揭示了可持续性渗透能量收集的巨大潜力。