【文章概述】
在我们的认知中,当把两种离子浓度不同的溶液放一起时,高浓度的离子就会扩散到低浓度溶液中。同样把海水和淡水放在一起,海水里的盐离子就会自发向淡水扩散。当在海水和淡水之间放一张盐离子单向渗透的半透膜,那么盐离子就会源源不断的从海水跑到淡水中,直到两边盐浓度一致。盐离子的移动就会形成电流,从而实现渗透能发电。这种反电渗析方法能够直接将渗透能转化为电能,且产量稳定,因此受到广泛科学家的关注。但是离子传输效率成为制约该技术的关键因素,聚电解质水凝胶膜虽然能够实现高性能渗透能量转换,但是在海水中会发生显著的膨胀,不利于半透膜的离子选择性。同时也存在不兼容的现象,表现出长期稳定性较差。
【成果简介】
青岛大学隋坤艳教授团队为解决多孔膜存在的界面不兼容和界面离子输运效率低问题,提出以超快反应扩散法制备的连续梯度全多糖聚电解质水凝胶膜。经实验验证该膜表现出优异的离子选择性和高离子电导率,能够实现高性能的渗透能转换。通过保留非对称膜的离子二极管效应,以促进单向离子扩散,从而避免不利的界面效应。开发的半透膜发电机可以通过混合海水和河水实现 7.87 W/m2 的超高功率密度,远远优于最先进的膜,本研究的设计策略可为构建高性能渗透能量收集膜提供新的见解。
【图文导图】
图1 基于梯度全多糖聚电解质水凝胶膜的渗透发电机的示意图。
(a) 多糖聚电解质的材料资源和分子结构、所得水凝胶膜的梯度结构以及渗透能收集过程的示意图。
(b-c) 梯度 CS/SA 水凝胶膜的横截面SEM图像和CLSM图像。
图2离子跨膜传输特性。
(a)梯度CS/SA膜的离子电导随盐浓度的变化。
(b)梯度膜在0.01 M KCl溶液中记录的I-V曲线。
(c)不同SA浓度制备梯度CS/SA膜的Zeta电位。
(d)两种电荷相反的荧光染料渗透实验的时间-浓度曲线。
(e) CS/SA梯度水凝胶膜的溶胀度(SD)与盐浓度的关系。
(f)正向和反向生理盐水梯度下梯度CS/SA膜的I-V曲线。
图3渗透能量收集性能。
(a)不同SA浓度制备梯度CS/SA膜的电流密度和输出功率密度。
(c)不同CS浓度制备梯度CS/SA膜的最大输出功率密度。
(d) 50倍盐度梯度下不同厚度CS/SA水凝胶膜的输出功率密度。
(e)三种盐度梯度下梯度CS/SA膜的输出功率密度。
(f-g)不同电解质(f)和不同pH (g)下梯度CS/SA膜的最大输出功率密度。
(h)不同pH下梯度CS/SA膜的结构演变示意图。
图4 渗透能量转换性能在实际应用中的应用。
(a)天然海水和河水混合膜的电流密度和功率密度。
(b)膜基能量装置的稳定性测试。
(c)在混合海水和河水的情况下,功率密度与报道的宏观纳米流体膜的比较。
(d) 最大输出功率密度与使用天然海水和河水的测试区域之间的关系。
(e) 测试设备优化前后28 mm2大测试区域的输出功率密度。
【奇材馆点评】
该团队在使用超快反应扩散法制备的梯度全多糖聚电解质水凝胶膜展示了高性能的渗透能量转换。克服不对称离子膜存在的不良界面效应,所制备的不对称膜具有连续梯度结构, 该梯度聚电解质水凝胶膜器件利用其固有的高电导率、带电三维聚合物网络的优良离子选择性和梯度电荷诱导离子二极管效应,在混合海水和河水的情况下,实现了7.87 W/m2的超高功率密度,性能上优于以往报道的器件。尤其需要提出的是本研究首次揭示因测试设备的电阻较大所致功率密度随测试面积增大而减小的现象。首次从膜和发电装置两个角度出发,为设计具有理想能量转换性能的RED发电装置提供了理论和实践指导。
【论文信息】
Anti-swelling gradient polyelectrolyte hydrogel membranes as high-performance osmotic energy generators |
Angewandte chemie international edition:(IF= 13.014) |
Pub Date :2021.07.15 |
https://doi.org/10.1002/anie.202108549 |
Guoshuai Bian[a], Na Pan[a], Zhaohui Luan[a], Xin Sui*[a], Wenxin Fan*[a], Yanzhi Xia[a], Kunyan Sui*[a] and Lei Jiang |
State Key Laboratory of Bio-fibers and Eco-textiles College of Materials Science and Engineering Shandong Collaborative Innovation Center of Marine Biobased Fibers and Ecological textiles Institute of Marine Biobased Materials Qingdao University Qingdao 266071, P. R. China |
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