|
在我們的認知里，把海水和淡水放在一起，海水里的鹽離子就會自發(fā)向淡水擴散，最后得到淡一點的海水，依舊苦澀，無法入口。如果在海水和淡水之間放一張只能允許鹽離子通過的半透膜，那么鹽離子就會不斷從海水中跑到淡水中，直到兩邊濃度一致。如此一來，帶電的鹽離子穿行時就形成了電流，從而實現滲透能發(fā)電。這種基于膜的反電滲析 (reverse electrodialysis, RED)方法能夠直接將滲透能轉化為電能，且產量穩(wěn)定，不易受到外界環(huán)境的影響，一經發(fā)現就受到了廣泛關注。
離子傳輸效率是制約RED技術功率密度的關鍵性因素，聚電解質水凝膠膜因自身的3D帶電聚合物網絡結構，傳輸阻力大大降低，能夠實現高性能滲透能量轉換，成為滲透能發(fā)電領域的寵兒，但這類膜在海水中會發(fā)生顯著的膨脹，不利于半透膜的離子選擇性。由兩種不同多孔膜組成的不對稱離子膜在收集清潔和可再生滲透能方面表現出極大的優(yōu)勢，但也受限于不兼容的界面，表現出差的長期穩(wěn)定性。青島大學隋坤艷教授帶領研究團隊通過超快反應擴散法制備的連續(xù)梯度全多糖聚電解質水凝膠膜表現出優(yōu)異的離子選擇性和高離子電導率，能夠實現高性能的滲透能轉換。通過保留非對稱膜的離子二極管效應，以促進單向離子擴散，從而避免不利的界面效應。開發(fā)的半透膜發(fā)電機可以通過混合海水和河水實現 7.87 W/m 2 的超高功率密度。研究成果以Anti-swelling gradient polyelectrolyte hydrogel membranes as high-performance osmotic energy generators為題發(fā)表在《ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION》上。以可再生的天然多糖聚電解質，如蝦和蟹殼中的殼聚糖（CS）、海藻中的海藻酸鈉（SA）、黃原膠（Xg）以及玉米中的k-角叉菜膠 (KC)和樹木中的羧甲基纖維素鈉 (CMC-Na)等為原料，通過反應擴散法可以在 30 s 內快速制備抗膨脹梯度的聚電解質水凝膠膜。具體而言，將含有濃縮 CS 溶液 (30-60 wt%) 的培養(yǎng)皿浸入足量的 SA 溶液 (0.5-2.0 wt%) 中，由于強靜電絡合作用兩種溶液一接觸就會在界面上形成薄的絡合物層，層的厚度會隨著反應時間的延長而增加?？拷头肿恿烤坳庪x子溶液的一側呈現出更高的靜電絡合密度和更致密的網絡結構以及更小的孔徑。其他的梯度薄膜如 Xg/CS、k-C/CS 和 CMC-Na/CS 膜等也可以使用相同的策略進行制備。水凝膠膜顯示出高的離子選擇性和離子傳輸能力。膜的電導率表現出明顯的鹽濃度依賴性。當離子濃度降低到 0.1 M 以下時，子傳輸過程由膜內的帶電基團主導。此外，由于膜固有的靜電和結構不對稱性，在 0.01MKCl溶液中及±2V的對稱電壓下觀察到了明顯的不對稱離子傳輸行為。梯度膜內升高的電勢導致負偏壓下增強的跨膜離子電流。離子耗盡區(qū)和離子富集區(qū)將出現在梯度聚電解質水凝膠膜內。這種離子二極管效應有利于高性能滲透能量轉換。CS/SA 水凝膠膜具有梯度分布的負電荷和負 zeta 電位，與鹽度梯度下的陰離子相比，陽離子擴散速度更快。此外，水凝膠膜顯示出很好的抗膨脹性能。當浸入不同濃度的鹽水溶液中時，膜顯示出消脹行為。這是因為海中離子濃度相對較低（< 1 M）并不能破壞聚陽離子和聚陰離子之間的靜電絡合。如此強大的抗溶脹性能可以避免水凝膠材料由于孔擴大或電荷密度降低而導致的選擇性降低，在實際應用中頗具優(yōu)勢。此外，使用人工海水（0.5 M KCl）和河水（0.01 M KCl）測量了不同成分和厚度的梯度 CS/SA 水凝膠膜的輸出功率密度，以評估和優(yōu)化不同條件下的水凝膠膜的滲透能轉換行為，并綜合分析了基于RED技術滲透能發(fā)電機功率密度的影響因素。文中制備了具有連續(xù)梯度結構的非對稱膜，可以消除非對稱離子膜存在的不利界面效應。該膜表現出高電導率、基于帶電 3D 聚合物網絡的優(yōu)異離子選擇性以及梯度電荷誘導下的離子二極管效應?；谔荻染垭娊赓|水凝膠膜的裝置通過混合海水和河水呈現出 7.87 W/m2 的超高功率密度，優(yōu)于以前的報道。首次揭示了功率密度隨著測試面積的增加而降低的原因：測試設備的電阻過大。https:///10.1002/anie.202108549
名稱：材料科學前沿 ID：MaterialFrontiers 立志打造材料領域有特色的新媒體 投稿、薦稿、爆料：yuan@polysci.cn
|
