在海水和淡水的盐度差异中蕴含着大量的渗透能，两者混合后预计能释放出高达每立方米0.8 kW的吉布斯自由能。若将全球范围内淡水河流汇入海洋的渗透能加以利用，则能获得相当于全球用电量 9-17%的清洁能源。那如何获取这种能源呢？当前，反向电渗析(RED)是获取这种渗透能的主要技术，借此可以为家庭和工业电源发电，显著减少我们对不可再生能源的依赖。然而，开发用于收集渗透能的高效、耐用的选择性渗透膜仍然是一个长期存在的瓶颈。

    澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授、Zhou Dong ，中国科学院理化技术研究所江雷院士等人提出了一种仿生物浆膜结构的纳米复合膜，其通过二维磺化共价有机骨架 (COF) 和阴离子接枝芳纶纳米纤维 (SANF) 的耦合来高效获取渗透能。二维COF纳米片不仅能提供丰富的1D/2D纳米流体通道，还能通过共价连接的阴离子实现高阳离子渗透选择性。接枝的SANF增加了膜的机械强度并进一步改善了离子的扩散/整流。该仿生膜作为渗透发电机可提供高达9.6 W m-2的功率密度，远远超过了5.0 W m-2的商业标准。这种“仿生”设计为开发高性能的基于选择性渗透膜的渗透发电机的带来了巨大前景，为探索可再生清洁能源开辟了新途径。该研究以题为“Serosa-Mimetic Nanoarchitecture Membranes for Highly Efficient Osmotic Energy Generation”的论文发表在《Journal of the American Chemical Society》上。

【渗透膜的仿生设计】

    浆膜结构广泛存在于生物体中，例如心脏、肾脏、大脑、眼睛等。浆膜可以保护它们免受机械应力以及有害物质的扩散，同时胶原纤维也紧紧包裹在细胞周围，增强了细胞膜的强度。受浆膜结构的启发，作者提出了一种由磺化二维COF纳米片和苯乙烯磺酸钠接枝的SANF组成的仿生膜，用于产生渗透能源。模仿活细胞膜的结构，多孔COF纳米片同时拥有沿层压方向垂直的一维纳米通道和平行于层压方向的二维纳米通道以协同实现超快离子迁移，还可通过共价连接的阴离子基团实现高阳离子渗透选择性。此外，SANFs不仅像胶原纤维一样显著增加膜的强度和稳定性，而且扩大了相邻纳米片的层间距以促进离子扩散、改善离子选择性。

图1复合膜的表征

【渗透能转换行为】

    从复合膜获取的渗透能是通过将能源传输到带有电负载电阻器的外部电路来评估的（图 2a），其最大功率密度可达到 8.7 W m-2（图2c）。为了模拟实际应用，作者使用该复合膜从天然海水和河水之间的盐度差异中获取能量，输出能量密度随着浓度梯度的增加而增加，最大功率密度高达 9.6 W m-2（图2d），远远超过了商业基准（5 W m-2），并且高于大多数先前报道的基于宏观尺度纳米流体膜的 RED 技术（图 3b）。此外，该复合膜还表现出优异的工作稳定性，即使在水中浸泡 1 个月后仍能很好地保持功能完整性（图 3d），并且功率输出没有出现明显的衰减。这验证了这种仿生膜在实际渗透能收集中的巨大潜力。

图2 渗透能转化过程示意图

图3 复合膜的功率密度

【理论计算】

    COF纳米片独特的钠离子转移现象是通过DFT计算得出的。该COF纳米片沿堆叠方向具有丰富的选择性渗透纳米孔，这些具有短垂直扩散距离的高密度一维纳米通道显著增加了跨膜离子通量（图 4e）。考虑到垂直一维扩散通道和水平二维扩散通道的协同效应（图 4f），钠离子通过堆叠纳米片迁移的能垒进一步降低（图 4c），从而产生超高离子传输动力学。当考虑到SANF带来的更大的层间距时，通过水平通路的能垒无疑会更低，从而进一步促进钠离子的传输。作者进行分子动力学模拟进一步阐明了复合膜中的阳离子转移机制。这主要源于带负电荷的COF与钠离子之间的静电吸引力促进了钠离子的转移，复合膜因此展现出很强的阳离子选择性。这种COF/SANF的协同效果提高了复合膜的渗透能转换性能。

图4 堆叠纳米片传输钠离子的 DFT 计算

    总结：作者开发了一种仿浆膜结构的复合膜，用于高效收集渗透能。凭借COF纳米片和SANF的协同效应，该仿生膜具有更长的使用寿命和更高的发电量，在天然海水/河流水系统中的最大功率密度达到9.6 W m-2，远远超过了5.0 W m-2的商业标准。这项工作中的仿生设计策略和渗透选择膜的制备可以扩展到其他离子传输应用，包括水净化、海水淡化和电池，从而增强了其对于未来可持续发展的应用前景。

（以上文章来源于微信公众号高分子科学前沿）