全球海水和河水之间的渗透能是一种天然的取之不尽的蓝色能源，可基于反向电渗析（RED）技术来提取。然而，当前RED技术的效率通常较低，主要归因于所用离子选择性膜在离子电导率和选择性之间的权衡，这阻碍了其大规模工业应用。近年来，研究人员致力于开发基于2D材料的不对称通道，包括MXene/嵌段共聚物、GO/黑磷、蛭石/聚偏氟乙烯等。这些具有不对称化学、几何和静电结构的通道表现出单向离子传输特性，有效防止吉布斯自由能以焦耳热形式耗散，从而提高了功率输出。然而，上述不对称纳米通道在结构组成或表面电荷上表现出宏观尺度不对称性，其组成层通常具有微米级厚度。这导致不对称纳米通道系统缺乏有效调控2D异质界面的能力，仅有有限数量的异质界面与离子相互作用，导致离子传输效率相对较低。因此，不对称纳米通道膜的能量转换效率和功率密度大多限制在35%以下（上限为50%）和10 W m−2以下。
近日，南京理工大学朱俊武教授、熊攀教授和悉尼科技大学汪国秀教授合作，利用2D异质界面构建分子尺度不对称纳米通道用于高效渗透能产电。由于2D异质界面诱导的分子构型和表面电荷不对称性，该膜能够同时实现优异的离子选择性和高电导率，通过RED过程达到了47.1%的能量转换效率（接近50%的理论上限）和0.985的Na+选择性系数。通过混合人工海水和河水，获得了超过20 W m−2的功率输出，是商业化基准值5 W m−2的四倍以上。相关工作发表在J. Am. Chem. Soc.期刊上，南京理工大学、悉尼科技大学联合培养博士生刘超和南方科技大学叶财超研究员为论文的第一作者。
图1. 分子尺度不对称纳米通道的设计示意图
通过控制二维异质界面的数量，实现了纳米流体膜中分子尺度不对称离子通道的精准调节。Ti0.87O2拥有原子级空位和较大的负电荷密度，而GO则具有纳米级缺陷和较小的负电荷密度。该通道的不对称孔结构和不对称表面负电荷分布，使TiG-n膜能够实现对Na+离子的超高选择性吸附，并促进后续超快离子传输，从而大幅提升渗透能收集效率。
图2. TiG-n膜的制备与表征
研究团队提出了一种基于分子尺度不对称纳米通道的界面诱导连续离子吸附-扩散机制。当Na+离子进入带负电的不对称纳米通道时，首先因静电作用被选择性吸附，并在不对称电荷诱导的EDL作用下沿水平层间通道加速传输。在垂直方向，GO层的纳米级缺陷可储存大量Na+离子，增强跨膜离子浓度梯度，从而提升化学势驱动力。进一步扩散至Ti0.87O2层时，原子级Ti空位作为限域孔道，同时实现离子筛分与高效传导，增强选择性与渗透性。此外，从Ti0.87O2扩散到GO层，两者之间形成的锥形几何结构有助于诱导离子定向快速输运。该机制首次通过原位拉曼光谱、ToF-SIMS分析得到了实验验证，并结合DFT计算、有限元模拟及分子动力学模拟进一步加以佐证。
图3. 异质界面诱导连续离子吸附-扩散机制
最终，当其应用于渗透能发电机时，在实际海水环境（中国及澳大利亚海域）中，TiG-n膜表现出22.25 W m−2的高功率密度；在高盐度环境下，该膜的功率密度更是高达81.4 W m−2。此外，通过构建TiG-n膜堆叠串联器件，进一步验证了其能量转换性能的可扩展性，凸显了其在实际应用中的巨大潜力。
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Molecular-Scale Asymmetry Nanochannels for High-Efficiency Osmotic Energy Generation
Chao Liu, Caichao Ye, Jiali Wang, Ting Yang, Anqi Ni, Tianning Zhang, Kunpeng Mao, Long Chen, Shijian Wang, Jingwen Sun, Wenqing Zhang, Xin Wang, Jianfei Che, Pan Xiong,* Guoxiu Wang,* Junwu Zhu*
J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c08016
熊攀教授简介
熊攀，南京理工大学化学与化工学院、软化学与功能材料教育部重点实验室教授、博士生导师。入选国家级高层次青年人才、江苏省杰青、江苏特聘教授等，主要研究方向为二维材料的设计及其绿色新能源技术研究，在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表SCI论文70余篇。
https://www.x-mol.com/groups/xiong_pan
汪国秀教授简介
汪国秀，澳大利亚悉尼科技大学数学与物理科学学院杰出教授，悉尼科技大学清洁能源研究中心主任，澳大利亚科学院院士，欧洲科学院院士，英国皇家化学会会士，国际电化学学会会士。全球化学和材料学科高被引科学家。研究方向包括锂离子电池、锂空气电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器、储氢材料、燃料电池、石墨烯和MXene等二维材料以及单原子催化。目前已发表700多篇SCI论文，h-index：166，出版物被引用超过90000次。
https://www.x-mol.com/university/faculty/50227
朱俊武教授简介
朱俊武，南京理工大学化学与化工学院教授、博士生导师、软化学与功能材料教育部重点实验室副主任。入选国家高层次领军人才工程，近年来主要从事能源高效利用中材料微结构调控、设计和性质研究。在Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc.等期刊上发表SCI论文200余篇，SCI他引18000多次，最高单篇SCI他引1800余次，获授权发明专利40余项。作为主要完成人获国家科技进步二等奖2项，省部级奖励5项。
https://www.x-mol.com/university/faculty/21237
