鹽差能是一種儲量廣泛、環(huán)境穩(wěn)定性強的新型清潔“零碳”能源，其基于不同濃度鹽溶液（如海水/河水）之間的化學(xué)位差獲取電能，整個發(fā)電過程無污染物和CO2排放。目前，以離子選擇膜為核心的反向電滲析技術(shù)是最具工業(yè)化前景的一種鹽差能發(fā)電技術(shù)。近年來，具有離子選擇特性的二維納流體膜在鹽差能發(fā)電方面展現(xiàn)出重要的應(yīng)用潛力，多種該類型膜的鹽差能輸出功率實驗值已達到工業(yè)應(yīng)用水平（5 W m-2）。自然界中，黏土材料具有天然層狀、本體帶電的特點，是構(gòu)筑離子選擇性二維納流體膜的理想原料；此外，易于剝離、低成本和環(huán)境友好等優(yōu)勢，使其在規(guī)模化鹽差能發(fā)電方面極具應(yīng)用潛力。近年，北京工業(yè)大學(xué)張倩倩團隊與北京航空航天大學(xué)劉兆閱團隊合作，以天然蒙脫土為原料構(gòu)筑了陽離子選擇性黏土基二維納流體膜，獲得了0.15 W m-2的鹽差能輸出，并利用溫敏分子功能修飾實現(xiàn)了能量輸出的智能溫控調(diào)節(jié)【Nano Energy, 2020, 76, 105113】。隨后，團隊通過芳綸納米纖維插層提升黏土基二維納流體膜的機械強度和孔道電荷密度，有效提升了鹽差能輸出功率（5.16 W m-2）和穩(wěn)定性【Nano Energy, 2022, 100, 107526】。在此基礎(chǔ)上，采用纖維素納米纖維橋聯(lián)進一步提升黏土基二維納流體膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和孔道空間電荷，構(gòu)筑了兼具超薄高通量和高離子選擇性能的全天然二維納流體膜，并通過生命周期評價，分析了資源環(huán)境友好型原料使用對膜制造到滲透能量收集全鏈條綠色可持續(xù)發(fā)展的重要作用【Nat. Commun., 2024, 15, 3649 】。 近日，北京工業(yè)大學(xué)張倩倩教授等人開發(fā)了一種纖維素納米纖維插層蒙脫土納米片基體的全天然二維納流體膜，并創(chuàng)新地采用膜材生命周期評價技術(shù)展示了其重要的經(jīng)濟、資源和環(huán)境效益。一方面，柔性納米纖維與剛性納米片橋聯(lián)形成的空間互鎖結(jié)構(gòu)有效提升了二維納流體膜的穩(wěn)定性，是構(gòu)筑高離子通量的大面積、高強度（149 MPa）薄膜的基礎(chǔ)；另一方面，纖維素豐富的負電基團顯著提升了層間納米通道的空間負電荷密度，促進了陽離子在二維納流體膜中的選擇性快速傳輸。基于上述設(shè)計，在模擬海水/河水（0.5 M/0.01 M NaCl）條件下，全天然二維納流體膜的滲透能輸出功率達到8.61 W m-2，相較于前述黏土膜工作提高了1.7倍，在二維納流體鹽差能發(fā)電領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。得益于優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和均一性，當(dāng)膜面積擴大至約700 cm2時，不同選區(qū)均實現(xiàn)了超過8 W m-2的高效滲透能量捕獲和超過30天的穩(wěn)定能量輸出，為規(guī)?；瘽B透能量收集和使用奠定了基礎(chǔ)。為了探究其實際應(yīng)用價值，進一步針對全天然二維納流體膜開展了詳細的生命周期評價（LCA）和技術(shù)經(jīng)濟分析。研究結(jié)果表明，相較于主流氧化石墨烯和MXene基二維納流體膜，本工作構(gòu)筑的黏土膜使得全生命周期過程資源消耗降至1/14、溫室氣體排放降至1/9、生產(chǎn)成本降至1/13，展示出重要的經(jīng)濟、資源和環(huán)境效益。綜上，本工作為開發(fā)可持續(xù)、全天然的二維納流體膜提供了新思路，為大規(guī)模的鹽差能量收集和利用提供了綠色、便捷、經(jīng)濟的新策略，有望推動膜基新能源技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。相關(guān)成果以 “All-natural 2D nanofluidics as highly-efficient osmotic energy generators” 為標題發(fā)表于國際權(quán)威期刊《Nature Communications》，北京工業(yè)大學(xué)博士研究生唐家東和碩士研究生王允為本文共同第一作者。
圖1 采用纖維素納米纖維插層黏土納米片基體構(gòu)筑的大面積、高強度的全天然二維納流體膜（2D-NNF）
圖2 實驗測試結(jié)合理論模擬證實2D-NNF具有優(yōu)異的陽離子選擇傳輸特性，為高效滲透能捕獲奠定了基礎(chǔ)
圖3 在模擬海/河的NaCl水溶液50倍鹽差條件下，2D-NNF的最大滲透能量輸出功率達到8.61W m-2，在二維納流體膜鹽差能發(fā)電領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平
圖4 針對海水中不同陽離子開展的2D-NNF跨膜傳輸特性及滲透能量輸出性能的詳細探究
圖5 大面積2D-NNF（φ30 cm）的不同選區(qū)均實現(xiàn)了超過8W m-2的高效滲透能量捕獲和超過30天的穩(wěn)定能量輸出，展現(xiàn)出重要的實際應(yīng)用價值
圖6二維納流體膜生產(chǎn)過程的生命周期評價結(jié)果顯示了2D-NNF具有重要的經(jīng)濟、資源和環(huán)境效益，推進了二維納流體膜在滲透能發(fā)電方面的實際應(yīng)用進程本工作選取低成本、環(huán)境友好的黏土和纖維素作為原料，發(fā)展了兼具高離子選擇和高離子通量的大面積、高強度的全天然二維納流體膜，實現(xiàn)了超工業(yè)化應(yīng)用水平的高效鹽差能量持續(xù)穩(wěn)定輸出，且展現(xiàn)出重要的經(jīng)濟、資源和環(huán)境效益。本工作發(fā)展的全天然二維納米流體在規(guī)?；傲闾肌丙}差能高效收集和利用方面極具前景，并且在離子篩分和海水淡化等領(lǐng)域也展現(xiàn)出重要的應(yīng)用潛力。 [1] J. Tang, Y. Wang, H. Yang, Q. Zhang*, C. Wang, L. Li, Z. Zheng*, Y. Jin, H. Wang, Y. Gu*, T. Zuo. All-natural 2D nanofluidics as highly-efficient osmotic energy generators. Nature Communications, 2024, 15, 3649. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47915-z.[2] R. Qin, J. Tang, C. Wu, Q Zhang *, T. Xiao, Z. Liu, Y. Jin, J. Liu*, H. Wang. Nanofiber-reinforced clay-based 2D nanofluidics for highly efficient osmotic energy harvesting.Nano Energy, 2022, 100, 107526. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107526.[3] C. Wu, T. Xiao, J. Tang, Q. Zhang*, Z. Liu, J. Liu, H. Wang. Biomimetic temperature-gated 2D cationic nanochannels for controllable osmotic power harvesting. Nano Energy, 2020,76, 105113.DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105113.
