膜材料与膜过程研究所团队在《Energy & Environmental Science》(IF=32.4)上发表最新研究成果
发布人：魏飞 发布时间：2024-09-13
科研快报｜四两拨千斤！Energy Environ. Sci.发表山东理工大学渗透能转换膜新进展
反向电渗析（RED）技术可以有效地将海、河水混合过程中所释放的吉布斯自由能转化为电能。但是渗透能转化效率极大地依赖离子交换膜中阳离子的传输速率，选择性和膜材料的稳定性。传统离子交换膜选择性差，内阻高，输出功率密度与5W m-2的商用基准尚有较大差距。
针对上述挑战，山东理工大学杨乃涛团队以绿色环保、低成本的细菌纤维素（BNC）与二维MoS2材料复合，通过真空抽滤法，构筑了亚纳米限域的MoS2/BNC复合膜。MoS2纳米片可以通过S-H键与BNC紧密结合，而BNC被限制在亚纳米尺度的离子传输通道内。带负电的BNC与同样带负电荷的阴离子(如Cl-)相互排斥，反而有利于Na+的扩散。该结构的空间和膜表面的双负电效应促使Na+渗透率和选择性均大幅提高，海水渗透能转化为电能的功率密度达到73 W m-2，较5 W m-2商用标准高出一个数量级。此外, 适量BNC(3 wt%)的加入还提高了复合膜的机械强度和结构稳定性，实验稳定运行了40天，膜性能未发现衰减。
研究发现，该复合膜的强度和稳定性起因于BNC丰富的羟基构建的三维网状结构，并可以与MoS2纳米片通过S-H键紧密结合，使得薄膜内纳米片的层间距被有效调控。
研究还发现，该复合膜在0.05 ~ 1 mol/L的KCl溶液中所有电流响应都呈线性欧姆特性，这表明复合膜结构对称，且具有良好的离子导电性能。
从模拟结果来看，表面电荷和空间电荷共存的亚纳米通道，比表面电荷和空间电荷单独存在的亚纳米通道表现出更强的选择性。
在测试面积为0.78mm2，50倍盐度梯度的模拟海水和河水中，该膜的渗透能转化为电能的功率密度达到73W m-2，大大超过了现有报道的同类膜的性能。在随后40天的稳定性测试中，膜的性能始终未发现衰减，其稳定性也居同类膜之最。
该项工作以环境友好的、带负电荷的BNC和二维MoS2纳米片复合材料为基材，通过简易的实验方法获得了结构稳定、性能优良的复合膜，发现了在二维复合膜的亚纳米通道中，表面电荷和空间电荷的协同作用对促进带相反电荷的离子选择性发挥的重要作用。该研究为海、河水渗透能转化为电能技术的进一步发展打开了希望之门。
论文被Energy & Environmental Science接收发表。并列一作为山东理工大学研究生王旭颖、王钊毅，联合通讯作者为山东理工大学杨乃涛教授、孟秀霞教授和大湾区大学刘少敏教授。
文章链接：
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2024/EE/D4EE01381F
