【能源】南理工朱俊武、熊攀和悉尼科技大学汪国秀Angew：仿生二维纳米膜中双埃级限域作用助力高效盐差发电- 大数跨境

【能源】南理工朱俊武、熊攀和悉尼科技大学汪国秀Angew：仿生二维纳米膜中双埃级限域作用助力高效盐差发电

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2023-12-20

导读：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，受生物细胞膜中双埃级限域离子通道的启发，仿生制备了一种基于Ti0.87O2纳米片的双埃级限域选择透过膜（DAC-Ti0.87O2）用于高性

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，数量巨大且可能满足人类对能源的大部分需求。反向电渗析技术是捕获这种清洁能源的有效方法，而选择透过膜是反向电渗析技术的关键组件。在过去十年中，纳米流体通道系统作为高性能渗透能产电器件吸引了许多研究学者的关注。然而，其输出功率密度受到离子选择性和离子渗透性之间权衡的阻碍。尽管已经研究了一些主要的策略来打破上述权衡，但目前还缺乏一种直接有效的策略来开发同时提高离子选择性和离子渗透性的选择透过膜。因此构建可以在离子选择性和离子渗透性二者之间达到平衡的高性能选择透过膜是此领域的研究重点和难点。

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，受生物细胞膜中双埃级限域离子通道的启发，仿生制备了一种基于Ti_0.87O₂纳米片的双埃级限域选择透过膜（DAC-Ti_0.87O₂）用于高性能渗透能发电。相关工作近日发表在Angew. Chem. Int. Ed.期刊上，南京理工大学的博士生刘超和南方科技大学的叶财超研究员为论文的第一作者。

图1. 双埃级限域选择透过膜的设计示意图

在DAC-Ti_0.87O₂中，Ti_0.87O₂纳米片上的原子级Ti空位（3.8 Å×3.0 Å）可以作为第一种埃级限域孔道来促进离子的有效运输。同时，DAC-Ti_0.87O₂的亚纳米自由层间距（~2.2 Å）被认为是进一步增强离子传输的第二种埃级限域通道。因此，与传统的选择透过膜相比，DAC-Ti_0.87O₂可以提供更多的埃级限域通道，同时提高离子的渗透性和选择性。

图2. DAC-Ti_0.87O₂的制备与表征

同时，DFT理论计算和有限元模拟也表明，这种双埃限域离子通道不仅对Na离子产生有利的限域效应，使其具有高离子选择性，而且与Na离子产生强相互作用，有利于提高离子渗透速率。此外，得益于双埃限域离子通道膜的精确设计，研究团队进一步提出并论证了双埃限域离子通道离子脱水的可能机制。

图3. 有限元模拟和DFT理论计算揭示离子传输机制

最终，当其应用于渗透能发电机时，DAC-Ti_0.87O₂在50倍NaCl梯度下实现了高达17.8 W m⁻²的功率密度，在500倍NaCl梯度下实现了114.2 W m⁻²的功率密度，优于大部分宏观尺度纳米流体膜，是商业基准（5 W m⁻²）的三倍多。该工作为纳米流体能源系统中设计高性能选择透过膜提供了新的思路。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Bio-inspired Double Angstrom-Scale Confinement in Ti-deficient Ti_0.87O₂ Nanosheet Membranes for Ultrahigh-performance Osmotic Power Generation

Chao Liu, Caichao Ye, Tianning Zhang, Jiheng Tang, Kunpeng Mao, Long Chen, Liang Xue, Jingwen Sun, Wenqing Zhang, Xin Wang, Pan Xiong*, Guoxiu Wang*, Junwu Zhu*

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202315947. DOI: 10.1002/anie.202315947

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。2015年于南京理工大学获工学博士学位，先后于美国德克萨斯大学奥斯汀分校进行联合培养博士学习、任日本国立材料科学研究机构（NIMS）JSPS博士后、澳大利亚悉尼科技大学研究助理。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., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表SCI论文60余篇。

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，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690多篇SCI论文，h-index：148，出版物被引用超过73000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100余篇，SCI他引14000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。担任《Nano Materials Science》、《Transaction of Tianjin University》、《应用化学》杂志编委。享受国务院政府特殊津贴，现为中国化学会应用化学学科委员会委员，中国化工学会理事，江苏省材料学会常务理事。

https://www.x-mol.com/university/faculty/21237

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