2025年10月14 日， 北京航空航天大学翟锦、范霞团队在Advanced Materials期刊发表题为“ Self-Powered Green Hydrogen Production via Osmotic Energy Harvesting ”的研究论文，博士生何健威为论文第一作者， 翟锦、范霞 为论文共同通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202514316
今天这篇文章的主题，是新能源领域一个听起来非常“传统”的概念——用海水和河水混合释放的“渗透能”来制备氢气。这个想法并不算特别新颖，但真正把它做成，尤其是做出能驱动实际应用的产氢，一直是个巨大的挑战。按理说，离子选择性膜的研究已经很成熟了，但大家普遍面临一个头疼的问题：当把膜的面积做大，想获得更高总功率时，单位面积的功率密度（PD）反而“一泻千里”，这严重限制了技术的实用化。
那么，作者是如何在这样一个“老大难”问题上“鸡蛋里挑骨头”，还能挖掘出新意并登上Adv. Mater.的呢？这就引出了做科研非常重要的一个点：从“知其然”到“知其所以然”！这篇工作的“神来之笔”不在于又做了一片性能多好的膜（虽然他们的PAA37膜确实很出色，几乎达到理论的阳离子选择性），而在于它没有停留在“大面积下功率密度会下降”这个表面现象上，而是深挖了一步，直接给出了一个数学解释——HLZ方程。这就好比大家都在抱怨“车速上不去”，有人换了个更好的发动机（开发新膜材料），而这篇文章的作者直接画出了整车的受力分析图，告诉你：“别老怪发动机了，你的风阻（低浓度侧电极阻抗）在高速下成了主要矛盾！”
这一下就颠覆了以往许多研究将矛头指向膜本身缺陷或浓度极化的传统认知。作者明确指出，随着测试面积增大，系统总电阻降低，原本不起眼的电极界面阻抗反而成了“木桶的短板”，主导了整个系统的性能。这个发现，价值远超单纯地提升了零点几个点的功率密度，因为它为整个领域后续的大规模器件设计提供了理论指导。它告诉所有人，未来要想真正实现渗透能的商业化应用，优化的重点可能要从“卷”膜材料，转向“卷”电极和器件结构设计了。
所以，这篇工作完整地演绎了“新材料开发 + 新理论构建 → 指导器件集成 → 实现颠覆性应用”这一顶刊科研范式。它既有高性能的材料作为“肌肉”，又有清晰的物理模型作为“大脑”，最后用一个令人信服的“制氢”演示秀出了实力。故事讲得完整、漂亮，逻辑环环相扣，从源头创新到应用落地，一条龙服务，登上Adv. Mater.也就在情理之中了。
本研究的创新之处在于，它不仅仅是实现了一个概念，而是构建了一个从“高性能材料开发 -> 关键理论突破 -> 系统集成与应用验证”的完整闭环，系统性地解决了渗透能制氢道路上的多个核心难题。
证据链：
证据一（高性能、可量产的“心脏”——PAA37膜）：
性能优越：实验测得，在50倍KCl浓度差下，达到176 mV的开路电压（理论值为183 mV），其阳离子迁移数t+高达0.96（图3e），接近理想值1，这保证了极高的能量转换效率。在优化条件下，大面积（3.14 mm2）测试功率密度仍能达到6.0 W m-2（图4f），性能强劲。
可规模化：通过卷对卷工艺，成功制备了面积达9000 cm2的大面积柔性膜（图1c, 3g），展示了其工业化生产的巨大潜力，这是从实验室走向应用的基础。
证据二（捅破规模化“窗户纸”的理论利器——HLZ方程）：
发现问题：实验明确观测到，随着测试面积增大，功率密度急剧下降（图5d），这是所有渗透能技术走向实用的共同障碍。
提出理论：作者没有停留在现象，而是创新性地提出了HLZ方程，从理论上指出低浓度侧的电极阻抗（RLE）是导致这一问题的“罪魁祸首”。
实验验证：通过绘制1/PD_max与测试面积的关系图（图5e），得到了完美的线性关系，这与HLZ方程的预测完全一致。进一步分析（图5f）表明，当面积从0.03 mm2增加到78.5 mm2时，RLE在总电阻中的占比从~3%飙升至~87%，用无可辩驳的数据证实了理论的正确性。这一发现为如何优化大面积器件指明了方向。
HLZ方程：
这个公式中，相关参数定义如下：δLB表示低浓度区溶液的电阻率；LLB表示低浓度区内电极与膜的距离；δM表示膜的固有电阻率；LM 表示膜厚度。一旦选定膜材料并建立浓度梯度，这些参数（δLB、LLB、δM、LM）即为常数值。
证据三（从“伏特”到“氢气”的系统集成与最终验证）：
实现高压输出：通过串联110个渗透能发电模块（OEPMs），首次实现了24.34 V的创纪录输出电压（图6a, 6b），证明了单模块化的超高电压，以及集成的可行性和优异的密封性。
成功制氢：通过巧妙的“22串5并”混合连接方式，有效提升了对电解槽的驱动电压至1.51 V，成功驱动电解水反应并观察到持续的气泡（氢气）生成（图6e, 6f, 及支撑视频），完成了从“渗透能”到“氢能”的最后一公里。
图1 PAA37膜渗透能发电与电催化制氢集成示意图：展示了整个工作的核心构想和材料设计。
图2 PAA37膜的结构与离子传输的分子动力学模拟。
图3 PAA37膜的离子传输性能表征：通过实验数据证实了膜材料的优异性能和可扩展性。
图4 PAA37膜的渗透能发电性能：系统评估了单个大面积（3.14 mm2）发电模块的输出性能。
图5 大面积测试中渗透能转换问题的分析：揭示了功率密度随测试面积变化的根本原因。
图6 基于PAA37膜的渗透能发电模块（OEPM）集成及驱动电解水应用：展示了从实验室模块到实际应用的跨越。
作者成功设计并规模化制备了一种高性能的PAA37离子选择性膜，更重要的是，通过引入原创性的“HLZ方程”，从理论上精准地抓住了制约渗透能发电从实验室走向大规模应用的核心瓶颈——大面积测试时低浓度区的电极阻抗。这一发现极具启发性，它将优化的焦点从单纯追求膜本身性能，转移到了对整个系统（特别是电极与溶液界面）的综合设计上。最终，通过巧妙的模块化串并联集成，作者成功演示了从“蓝色能源”到“绿色氢能”的直接转化，为可持续能源的获取和利用提供了一个极具前景的全新范例。这项工作为未来渗透能发电系统的设计和优化指明了清晰的方向，具有重要的理论意义和应用价值。
J. He, X. Li, W. Li, J. Zhai, X. Fan, Self-Powered Green Hydrogen Production via Osmotic Energy Harvesting. Adv. Mater. 2025, 2514316.
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202514316
翟锦：北京航空航天大学化学学院教授、博士生导师。长期从事仿生光电转换纳米材料和器件研究，在仿生光响应纳米通道设计、光电转换系统等前沿领域取得系列创新成果。在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Energy、ACS nano 等国际知名期刊发表论文150余篇，被引超6千余次，H指数41。主持国家自然科学基金重大研究计划、国家重点研发计划等多项项目。获国家自然科学奖二等奖、北京市科学技术奖一等奖。2009年入选教育部新世纪优秀人才支持计划和北航“蓝天学者”特聘教授。现任中国化学会女化学工作者委员会委员、《北京航空航天大学学报》编委等学术职务。
Email：zhaijin@buaa.edu.cn
范霞：北京航空航天大学化学学院副教授、博士生导师。主要研究方向为仿生纳米通道，在Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Energy Materials 等国际知名期刊发表SCI学术论文40余篇。作为项目负责人，主持国家自然科学基金面上项目和青年科学基金项目等多项科研课题。
Email：fanxia@buaa.edu.cn
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