【材料】Angew：基于水平离子传输通道的MXene膜实现极端盐碱环境中的高效离子传输与渗透能转换- 大数跨境

【材料】Angew：基于水平离子传输通道的MXene膜实现极端盐碱环境中的高效离子传输与渗透能转换

X-MOL资讯

2024-08-24

导读：中国科学院北京纳米能源与系统研究所的魏迪研究员团队巧妙地利用具有水平传输离子通道的MXene膜（H-MXene），在极端盐碱环境中保持高离子选择性的同时，表现出优于传统MXene膜（V-MXene）3

在各种清洁能源中，渗透能作为海洋能的一种，可以利用海水与河水之间的盐度差异提取能量，被誉为“蓝色能源”。反向电渗析（RED）技术是最接近商业化的途径之一，而选择性渗透膜是其关键组件，器件的输出功率密度受到选择性渗透膜的离子选择性和离子渗透性之间的折衷影响。此外，来自海洋的渗透能已经得到了深入的研究，但来自盐碱环境的渗透能受到选择性渗透膜的通道结构和化学稳定性的限制，无法实现有效的离子传输和渗透能转换。

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所的魏迪研究员团队巧妙地利用具有水平传输离子通道的MXene膜（H-MXene），在极端盐碱环境中保持高离子选择性的同时，表现出优于传统MXene膜（V-MXene）3个数量级以上的离子渗透性，没有明显的极化现象，同时实现了选择性渗透膜在极端盐碱条件下的高选择性和渗透性。

在1 M NaCl溶液中，H-MXene的离子电导率为20.67 S m⁻¹，在10倍盐度梯度的NaCl溶液中，扩散电流密度可以达到308 A m⁻²，显著优于传统的V-MXene，表现出超高的离子渗透性。此外，H-MXene选择性渗透膜在人工海水与河水的盐度梯度条件下，展现出高达9.47 W m⁻²输出功率密度以及45.7%的能量转换效率。

H-MXene选择性渗透膜具有良好的耐极端盐碱性能，在盐碱环境中浸泡一个月后，外观无明显的变化，离子通道的结构依然保持稳定。与此同时，纳米通道表面会产生更多的负电荷，从而提高H-MXene的阳离子选择性。在极端盐碱条件下，H-MXene在三种盐度梯度下都表现出良好的电化学性能。其中，在1000倍盐度梯度下，输出功率密度可以达到32.95 W m⁻²，对应能量转换效率高达48.67%。

分子动力学（MD）模拟结果显示，MXene纳米通道具有良好的阳离子选择性，Na⁺、H⁺在H-MXene中的扩散系数显著高于V-MXene，且H-MXene中的Na⁺、H⁺传输速率分别为V-MXene的2.57倍和2.32倍。原因在于H-MXene中的离子可以直接通过单一纳米通道，而V-MXene中的离子则需要通过层间缝隙的“之字形”路径。

综上，该工作中魏迪研究员团队通过实验和模拟证实，具有水平传输离子通道的H-MXene选择性渗透膜实现了选择性和渗透性的权衡，填补了盐碱环境中渗透能转换的空白。

该工作是魏迪教授近期关于离子电子学研究的最新进展之一，其研究纳米限域空间内离子动力学过程及离子-电子耦合关系，为新能源和类脑计算等前沿领域提供了全新研究范式。以离子为信号载体的离子电子学（Iontronics）是研究纳米尺度下离子行为的交叉学科。魏迪教授课题组介绍请登录http://iontronics.group/。课题组长期招聘博士后和科研助理，有意者欢迎登录课题组网站联系。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Horizontal Transport in Ti₃C₂T_x MXene for Highly Efficient Osmotic Energy Conversion from Saline-Alkali Environments

Han Qian, Puguang Peng, Hongzhao Fan, Zhe Yang, Lixue Yang, Yanguang Zhou, Dan Tan, Feiyao Yang, Morten Willatzen, Gehan Amaratunga, Zhonglin Wang, Di Wei

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202414984

导师介绍

魏迪

https://www.x-mol.com/groups/iontronics