第一作者：肖凱
通訊作者：肖凱
通訊單位：德國(guó)馬普膠體界面研究所（MPIKG）
核心內(nèi)容：
1. 系統(tǒng)闡述了納米流體中的離子傳輸特性，系統(tǒng)總結(jié)了離子傳輸在能源轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用。
2. 詳細(xì)歸納了離子被動(dòng)傳輸用于鹽差能源的收集。
3. 詳細(xì)歸納了光驅(qū)動(dòng)離子主動(dòng)傳輸（離子泵）的種類，工作原理，及在太陽能轉(zhuǎn)化方面的應(yīng)用。
4. 簡(jiǎn)要討論分析了離子傳輸用于能源轉(zhuǎn)換的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)“離子能源”在清潔能源領(lǐng)域的機(jī)遇和挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。
離子傳輸?shù)哪茉大w系
清潔能源是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，如何獲取足夠的，可持續(xù)的，無污染的能源是制約工業(yè)化進(jìn)程的重要因素。在眾多人類已經(jīng)開發(fā)的清潔能源中，太陽能是當(dāng)之無愧的“取之不盡，用之不竭”的清潔能源，并且是其他清潔能源的來源，如蘊(yùn)藏在海水/河水濃度差中的巨大的鹽差能。現(xiàn)階段，對(duì)于太陽能的收集主要利用半導(dǎo)體光伏器件，而對(duì)于鹽差能的收集依舊很難達(dá)大規(guī)模工業(yè)化級(jí)別的應(yīng)用。因此，我們需要新的手段實(shí)現(xiàn)安全，低成本的清潔能源收集。
大自然經(jīng)過億萬年的進(jìn)化為我們提供了獨(dú)特的視角：可控的離子傳輸可用于清潔能源的收集。如綠色植物中的光驅(qū)動(dòng)質(zhì)子泵是其光合作用必不可少的環(huán)節(jié)，很多古生菌直接通過光驅(qū)動(dòng)質(zhì)子泵產(chǎn)生的化學(xué)勢(shì)能合成ATP；再比如，電鰻通過可控的Na+, K+離子傳輸可以產(chǎn)生高達(dá)上百伏的電壓。因此，如何在生命體外實(shí)現(xiàn)精確可控的離子傳輸并用于清潔能源收集受到了廣泛關(guān)注（Nat. Rew. Chem. 2017, 1, 0091；Nat. Rev. Mater. 2019,4, 588–605）。
綜述簡(jiǎn)介
在其前期可控離子傳輸及能源轉(zhuǎn)換工作的基礎(chǔ)上，馬普所的肖凱博士，Markus Antonietti教授和中科院理化所的江雷院士合作，對(duì)納米流體中離子的可控傳輸及能源轉(zhuǎn)換進(jìn)行了總結(jié)。該綜述系統(tǒng)總結(jié)了納米流體中的離子傳輸特性，分別闡述了離子被動(dòng)傳輸用于鹽差能源收集，離子主動(dòng)傳輸用于太陽能收集，最后對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和展望（圖1）。
圖1. 基于離子傳輸?shù)哪茉崔D(zhuǎn)換示意圖：光驅(qū)動(dòng)的離子主動(dòng)傳輸（離子泵）和濃度差驅(qū)動(dòng)的離子被動(dòng)傳輸。
要點(diǎn)1：固態(tài)納米通道/多孔膜內(nèi)離子可控傳輸?shù)幕驹?/span>
該綜述首先簡(jiǎn)要?dú)w納總結(jié)了固態(tài)納米通道/多孔膜內(nèi)離子可控傳輸?shù)幕驹恚?包括雙電層理論，限域納米通道內(nèi)雙電層重疊及電勢(shì)分布，根據(jù)孔徑及電荷不同的離子電流產(chǎn)生的幾種模式，離子選擇性和離子整流性及其對(duì)“離子能源”的影響（圖2）。
圖2. 固態(tài)納米通道/多孔膜內(nèi)離子可控傳輸?shù)幕驹怼-C. 帶電表面或者通道內(nèi)的雙電層理論；D-F. 離子在通道內(nèi)的擴(kuò)散類型；G. 離子整流性；H-I. 離子主動(dòng)傳輸和被動(dòng)傳輸示意圖。
要點(diǎn)2：離子被動(dòng)傳輸用于濃差能源轉(zhuǎn)換。
接著，該綜述重點(diǎn)敘述了離子被動(dòng)傳輸用于濃差能源轉(zhuǎn)換（圖3）。濃差能源廣泛存在于自然界內(nèi)及我們的工業(yè)體系，如海水/河水濃度差，海水淡化廠內(nèi)的殘余高濃度鹽溶液等。本部分基于不同納米流體體系分成1D納流體（包括nanoporetube/nanopore/nanochannel），2D納流體（主要包括layered membrane），3D納流體（主要包括organic/inorganic/polymerporous membrane）。對(duì)影響濃差能源密度和效率的因素進(jìn)行了歸納總結(jié)的同時(shí)，提出了其面向工業(yè)化的一些準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)。
圖3. 離子被動(dòng)傳輸用于濃差能源轉(zhuǎn)換。A. 基于1D納流體的濃差能源轉(zhuǎn)換收集體系；B.基于2D納流體的濃差能源轉(zhuǎn)換收集體系；C. 基于3D多孔膜納流體的濃差能源轉(zhuǎn)換收集體系；D. 影響濃差能源轉(zhuǎn)換體系的關(guān)鍵因素。
要點(diǎn)3：離子被動(dòng)傳輸用于濃差能源轉(zhuǎn)換。
然后，該綜述又重點(diǎn)敘述了離子主動(dòng)傳輸（離子泵）用于太陽能收集（圖4）。由于其在能源轉(zhuǎn)換及可控釋放領(lǐng)域的重大作用，仿生光驅(qū)動(dòng)離子泵一直以來廣受關(guān)注，卻進(jìn)展緩慢。本部分將已被成功制備的仿生光驅(qū)動(dòng)離子泵歸納為三種模式：光誘導(dǎo)電荷分離模式，光誘導(dǎo)分子異構(gòu)化模式，固態(tài)納米孔模式（圖4）；并根據(jù)起工作原理的不同，提出三種不同的仿生光驅(qū)動(dòng)離子泵：贗離子泵，化學(xué)離子泵， 物理離子泵 （圖5）。
圖4. 離子主動(dòng)傳輸（離子泵）用于太陽能轉(zhuǎn)換。A. 基于光響應(yīng)分子電荷分離的光驅(qū)動(dòng)離子泵；B. 基于光響應(yīng)分子結(jié)構(gòu)異構(gòu)化的光驅(qū)動(dòng)離子泵；D 基于有機(jī)/無機(jī)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的光驅(qū)動(dòng)離子泵。
圖5. 離子主動(dòng)傳輸（離子泵）的類型。A. 贗離子泵；B. 化學(xué)離子泵；C. 物理離子泵.
要點(diǎn)4：整合的離子能源體系
最后，該綜述詳細(xì)討論了“離子能源”的優(yōu)缺點(diǎn)，并闡述了其潛在的應(yīng)用模式：即將離子主動(dòng)/被動(dòng)傳輸相結(jié)合的綜合能源體系（圖6）。
圖6. 整合的離子能源體系示意圖。A. 基于離子傳輸?shù)奶柲茈姵兀籅. 基于離子能源的仿生納米機(jī)器人。
小結(jié)
該綜述討論了“離子能源”工作的原理，分類，及其在未來能源轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)領(lǐng)域的重要前景，并展望了“離子能源”的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。將離子主動(dòng)/被動(dòng)傳輸相結(jié)合的綜合能源體系可大幅提升其能源密度和效率，進(jìn)一步還可以實(shí)現(xiàn)能源的原位存儲(chǔ)（如通過模仿ATP的產(chǎn)生），實(shí)現(xiàn)清潔高效的“離子能源”。
參考文獻(xiàn)
Kai Xiao, Lei Jiang, andMarkus Antonietti. Ion transport in nanofluidic devices for energy harvesting. Joule.2019, DOI:10.1016/j.joule.2019.09.005.
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30465-9
