盐差能作为一种蕴藏于海水与河水交汇处的“蓝色能源”，凭借其清洁、可再生、全球总量高达26亿千瓦的显著优势，已成为新能源领域备受关注的方向。如何高效转化这种化学电位差能，是推动其实际应用的关键挑战。仿生纳米流体技术为解决这一难题提供了全新路径，近日，由黑龙江大学付宏刚/田春贵、中国科学院理化技术研究所江雷/闻利平/辛伟闻合作的研究团队，在该领域取得重大突破，他们创新设计出具有双非对称结构的MXene复合纳米流体（DA-MXCNs），成功构建出高性能RED渗透能转换系统。该设计通过精确调控通道尺寸和表面电势双不对称性，极大提升了离子传输效率与能量转换效能，为高效、连续、稳定地提取盐差能提供了突破性的解决方案。该项研究不仅深化了对纳米尺度下离子行为机制的理解，对未来推进海洋蓝色能源的产业化开发利用具有重要意义。
图1. 双非对称MXene复合纳米流体（DA-MXCNs）合成示意图
生物离子通道在细胞电信号传导与渗透调节等生命过程中扮演着核心角色。然而，生物离子通道的实际应用受限于其对环境变化的敏感性，这影响了其在非生理环境中的稳定性。近年来，仿生纳米流体技术取得了重要进展，能够有效模拟天然离子通道所特有的高效离子传输行为，并在渗透能转换方面展现出广阔前景。但目前该技术仍面临关键挑战：严重的浓度极化现象，以及本征选择性-渗透性权衡的固有矛盾。要突破这些限制，需要在分子水平对纳米通道结构进行精准设计，通过合理的化学合成方法与表界面调控策略，实现对受限离子传输行为的优化与增强。
该团队受天然离子通道中非对称孔道结构和表面化学特性的启发，通过对MXene两种不同的化学功能化策略，成功设计出一种具有双非对称结构的MXene复合纳米流体（DA-MXCNs），其由带负电的多孔MXene层与带正电的限域MXene层通过顺序自组装构建而成。其中，多孔NCNs层可降低离子扩散能垒、充当离子储备库；而致密PCNs层则能够实现高效离子筛选，并优先促进钠离子（Na+）传输。这一耦合策略性设计不仅提高了通道孔隙率，显著缩短离子传输路径，还促进单向阳离子流动，从而有效抑制浓度极化现象。在分子水平上，该研究通过策略性整合非对称通道尺寸与相反的表面电荷分布，成功增强了离子选择性与渗透性，突破了现有纳米流体系统中二者难以兼得的传统瓶颈。DA-MXCNs表现出显著提升的传输性能：离子通量达到7.71 mmol•m-2•h-1，相较于未改性体系提高3.4倍；Na+选择性系数高达0.985，Na+/Cl-选择性比达到65.7。实验与理论模拟一致表明，这种双非对称结构不仅实现了阳离子的单向快速传输，同时显著降低阳离子传输能垒，从而在保证高渗透性的前提下实现优异阳离子选择性。基于DA-MXCNs构建的渗透能转换系统实现了126.0 W•m-2的功率密度，并展现出良好的长期稳定性，其性能显著优于当前已报道的MXene基纳米流体系统，具备为各类电子设备持续供电的潜力。该研究不仅验证了高性能渗透能转换在实际应用中的可行性，也为面向可持续能源生产和资源提取的纳米流体材料设计提供了新思路，尤其在需要高选择性离子传输的功能系统中展现出广泛的应用前景。
图2. DA-MXCNs的表征结果
图3. DA-MXCNs的离子传输行为
图4. DA-MXCNs的高性能渗透能转换
图5. 扩散实验与分子动力学模拟
图6. 基于DA-MXCNs的串联渗透能收集系统与应用展示
具有非对称通道尺寸与相反电荷分布的双非对称MXene复合纳米流体（DA-MXCNs），成功克服了传统纳米流体材料中选择性与渗透性难以兼得的固有矛盾，并有效缓解了浓差极化现象。实验表征与理论模拟共同表明，通过对多孔通道结构和相反表面电势的协同调控，该材料显著增强了纳米尺度下的离子传输效率。基于DA-MXCNs构建的渗透能转换系统实现了高达126.0 W•m-2的功率密度，远超当前已报道的MXene基纳米流体性能，展现出为多种电子设备持续供电的实际潜力。这一耦合策略不仅适用于MXene材料体系，也为其他纳米材料的结构设计提供了新思路，在纳米流体的能量转换、海水淡化及生物医学应用等领域具有广泛的推广价值和发展前景。
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society上，黑龙江大学功能无机材料化学教育部重点实验室郭婧怡为论文第一作者。黑龙江大学付宏刚、田春贵以及中国科学院理化技术研究所江雷、闻利平、辛伟闻为论文共同通讯作者。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及中国博士后科学基金的资助。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Biomimetic Dual Asymmetric MXene-Based Nanofluidics for Advancing Osmotic Power Generation
Jingyi Guo, Tianhao Liu, Weiwen Xin,* Nan Wang, Shixuan Xia, Di Shen, Yuying Fan, Zexu Fang, Chungui Tian,* Liping Wen,* Lei Jiang,* and Honggang Fu*
J. Am. Chem. Soc., 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c10164
导师简介
付宏刚教授简介
付宏刚，教育部长江学者特聘教授，国务院政府特殊津贴获得者，现任黑龙江大学二级教授，博士生导师。首批“国家万人计划”百千万工程领军人才，新世纪百千万人才工程国家级人选。教育部科技委员会化学化工学部委员（两届），现任中国可再生能源学会光化学专业委员会荣誉主任；中国感光学会光催化专业委员会副主任；中国化学会应用化学、无机化学学科委员会委员，催化、电化学及晶体化学专业委员会委员；国家自然科学基金委“功能介孔材料基础科学中心”和“人工光合作用基础科学中心”学术委员会委员；中国化学会会士；英国皇家化学会会士；《EES Catalysis》副主编，《Science China Materials》和《化学学报》编委；2018-2024年连续7年入选科睿唯安全球高被引科学家。主持及承担国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发计划项目等国家级项目20余项。主要从事光（电）催化领域的材料设计合成、结构调控及反应机制等研究。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、 Energy. Environ. Sci.、Adv. Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Soc. Rev. 等SCI收录的国际期刊发表研究论文440余篇，被他人引用37600余次，H因子100。有60篇论文进入ESI高被引用论文的Top 1%，8篇论文进入ESI Top 0.1%热点论文。获省部级科学技术奖一等奖3项，获授权发明专利47项（含美国、日本、韩国发明专利各1项）。出版专著2部。
付宏刚
https://www.x-mol.com/university/faculty/10066
课题组主页
http://fuhonggang.cn/HonggangFu.html
田春贵
https://www.x-mol.com/university/faculty/287449
江雷
https://www.x-mol.com/university/faculty/315175
