單分子層COF膜實現差能轉化新突破 為低阻力膜過程應用開辟新道路
【化工儀器網 項目成果】在江河的入海處，由于淡水和海水之間的鹽度不同，海水對于淡水存在的滲透壓以及稀釋熱、吸收熱、濃淡電位差等濃度差能。這種能量可以用以轉換成電能，是通過混合海水和河水獲得的重要清潔能源，同時也是海洋能中能量密度最大的一種可再生能源。
鹽差能轉化的關鍵是能夠實現正負離子選擇性和低阻力傳輸的選擇性透過膜，即當正負離子在濃度梯度驅動下以不同的速度通過離子選擇性膜時，將在高濃度側和低濃度側之間產生電勢差，從而在外電路產生電流。簡單來說，鹽差能發電，就是利用兩種含鹽濃度不同的海水化學電位差能，并將其轉換為有效電能。
使用仿電鰻的納米離子通道進行鹽度差能轉換，是對以往基于離子交換膜反向電滲析技術的重要發展。近些年，二維表面帶電超薄膜材料，如氮化硼、二硫化鉬、石墨烯等，由于其極低的膜電阻，在高效滲透發電方面顯示出巨大應用前景。然而，多孔單層膜的發電功率密度遠低于預期，這主要是由于低孔密度、高膜電阻以及從單孔模型到多孔系統發電性能的非線性擴展。
傳統的聚合物離子交換膜通常可實現正負離子的高選擇性傳輸，但其高膜電阻使離子通過速度和電流密度低，導致能量輸出功率密度很難超過商業化應用的5Wm-2的最低標準。因此，在保持正負離子選擇性的基礎上提高膜電導及離子傳輸速率是解決問題的關鍵。
近日，中國科學院國家納米科學中心研究員唐智勇和李連山團隊通過預組裝界面聚合反應，構筑了大面積的共價有機框架(COF)單分子層薄膜。COF材料固有的高孔密度和單分子層的厚度使膜傳質阻力低至極限，從而提高了膜電導和電流密度，在降低膜電阻的同時通過低孔間距導致的孔-孔耦合效應有效抑制濃差極化引起的電壓和電流的下降，并結合極低的膜阻力實現了海水/河水鹽差體系中超高的發電功率密度。
這一材料設計將鹽差能轉化的輸出功率密度提高至135Wm-2。進一步，研究通過調控COF框架中卟啉分子的金屬中心，可實現真實海水/河水鹽差梯度下高于300 Wm-2的輸出功率密度。理論模擬研究發現，孔-孔耦合效應在孔間距低至4.5納米時才會發生，成為高孔密度、低孔間距COF膜材料的獨特特征，為新型鹽差能轉化材料的計提供了全新的理論支撐。
該研究表明，單分子厚度COF膜具有的周期性均勻納米孔結構是鹽產能轉化的理想材料結構。一方面COF膜的單分子層厚度能夠極大的降低離子傳質阻力，提高膜電導；另一方面納米尺度的孔尺寸和孔間距產生新穎的孔孔耦合效應，有效的抗衡濃差極化引起的電流和電壓的下降。此外，通過利用其結構的多樣性和精確調控性，COF單分子層膜不僅將促進滲透能轉換的研究，而且還將為其他低阻力膜過程的應用開辟新的道路，如氣體分離、離子篩分、質子傳導、海水淡化、蛋白質純化等。
4月25日，相關研究成果以Advancing osmotic power generation by covalent organic framework monolayer為題，在線發表在《自然-納米技術》(Nature Nanotechnology)上。
(資料參考：國家納米科學中心)
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