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  隨著能源需求的不斷增長，存在于河水與海水的交界處的鹽差能（也被稱為藍(lán)色能源）作為一種儲量大、方便獲取的能源受到了科學(xué)家們的極大關(guān)注。

  反向電滲析技術(shù)(RED)是一種具有廣闊前景的鹽差能獲取方法，它是通過捕獲自然水域中不同水體間的吉布斯自由能來獲得持續(xù)的電能輸出。RED體系中最關(guān)鍵的組件就是離子交換膜。通過提升膜材料的性能來獲得更高的更穩(wěn)定的能量捕獲成為眾多科研人員努力的方向。以膜為基礎(chǔ)的納米流體系統(tǒng)和納米流體技術(shù)在納米微環(huán)境中表現(xiàn)出良好的離子輸運(yùn)調(diào)控能力，這為獲取鹽差能帶來了新的思路。

圖1. 鹽差發(fā)電示意圖

  在前期的理論研究基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高鹽差能轉(zhuǎn)換電能性能，中科院理化所仿生材料與界面科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聞利平研究員團(tuán)隊(duì)以天然的蠶絲為原料，經(jīng)過多步處理獲得蠶絲納米纖維，進(jìn)而組裝成蠶絲納米纖維膜。將這種帶有負(fù)電荷的蠶絲膜與電荷電性可調(diào)（pH響應(yīng)）的氧化鋁膜進(jìn)行復(fù)合組裝成異質(zhì)復(fù)合膜，用于鹽差能的捕獲。

圖2. 復(fù)合膜的組裝過程

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該復(fù)合膜比單一的膜在能量轉(zhuǎn)換性能上有了明顯的提高，通過理論模擬展示了復(fù)合膜所具有獨(dú)特的離子傳輸與能量捕獲的優(yōu)異特性。復(fù)合體系在50倍的鹽度梯度下輸出的能量密度達(dá)到2.86 W/m²。

圖3. 復(fù)合膜優(yōu)異的離子傳輸性能以及高的功率密度輸出

  此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種具有孔道結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和表面電勢非對稱的復(fù)合膜能夠促進(jìn)有效促進(jìn)離子的輸運(yùn)。該膜在較寬的pH值范圍內(nèi)具有較寬的工作環(huán)境，特別是在堿性溶液，復(fù)合膜展現(xiàn)出優(yōu)異的能量轉(zhuǎn)換性能，這為將復(fù)合膜應(yīng)用于工業(yè)廢水中能量的提取奠定基礎(chǔ)。值得注意的是，得益于β折疊在蠶絲蛋白的豐富含量以及復(fù)合膜之間的氫鍵作用，該膜材料表現(xiàn)了長時(shí)間穩(wěn)定性，這也為實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

  相關(guān)工作近日以長文形式發(fā)表于Nature Communications上(Xin, W. et al. High-performance silk-based hybrid membranes employed for osmotic energy conversion. Nat. Commun. 2019, 10, 3876-3885)。

  文章第一作者為辛偉聞和張振博士，通訊作者為聞利平研究員和孔祥玉博士。

  此外該工作也申請了國家發(fā)明專利(專利號：201811524533.4)。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11792-8