“密度”单分子层COF膜实现差能转化新突破 为低阻力膜过程应用开辟新道路

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在江河的入海处，由于淡水和海水之间的盐度不同，海水对于淡水存在的渗透压以及稀释热、吸收热、浓淡电位差等浓度差能。这种能量可以用以转换成电能，是通过混合海水和河水获得的重要清洁能源，同时也是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。

盐差能转化的关键是能够实现正负离子选择性和低阻力传输的选择性透过膜，即当正负离子在浓度梯度驱动下以不同的速度通过离子选择性膜时，将在高浓度侧和低浓度侧之间产生电势差，从而在外电路产生电流。简单来说，盐差能发电，就是利用两种含盐浓度不同的海水化学电位差能，并将其转换为有效电能。

使用仿电鳗的纳米离子通道进行盐度差能转换，是对以往基于离子交换膜反向电渗析技术的重要发展。近些年，二维表面带电超薄膜材料，如氮化硼、二硫化钼、石墨烯等，由于其极低的膜电阻，在高效渗透发电方面显示出巨大应用前景。然而，多孔单层膜的发电功率密度远低于预期，这主要是由于低孔密度、高膜电阻以及从单孔模型到多孔系统发电性能的非线性扩展。

传统的聚合物离子交换膜通常可实现正负离子的高选择性传输，但其高膜电阻使离子通过速度和电流密度低，导致能量输出功率密度很难超过商业化应用的5Wm-2的最低标准。因此，在保持正负离子选择性的基础上提高膜电导及离子传输速率是解决问题的关键。

近日，中国科学院国家纳米科学中心研究员唐智勇和李连山团队通过预组装界面聚合反应，构筑了大面积的共价有机框架(COF)单分子层薄膜。COF材料固有的高孔密度和单分子层的厚度使膜传质阻力低至极限，从而提高了膜电导和电流密度，在降低膜电阻的同时通过低孔间距导致的孔-孔耦合效应有效抑制浓差极化引起的电压和电流的下降，并结合极低的膜阻力实现了海水/河水盐差体系中超高的发电功率密度。

这一材料设计将盐差能转化的输出功率密度提高至135Wm-2。进一步，研究通过调控COF框架中卟啉分子的金属中心，可实现真实海水/河水盐差梯度下高于300 Wm-2的输出功率密度。理论模拟研究发现，孔-孔耦合效应在孔间距低至4.5纳米时才会发生，成为高孔密度、低孔间距COF膜材料的独特特征，为新型盐差能转化材料的计提供了全新的理论支撑。

该研究表明，单分子厚度COF膜具有的周期性均匀纳米孔结构是盐产能转化的理想材料结构。一方面COF膜的单分子层厚度能够极大的降低离子传质阻力，提高膜电导；另一方面纳米尺度的孔尺寸和孔间距产生新颖的孔孔耦合效应，有效的抗衡浓差极化引起的电流和电压的下降。此外，通过利用其结构的多样性和精确调控性，COF单分子层膜不仅将促进渗透能转换的研究，而且还将为其他低阻力膜过程的应用开辟新的道路，如气体分离、离子筛分、质子传导、海水淡化、蛋白质纯化等。

4月25日，相关研究成果以Advancing osmotic power generation by covalent organic framework monolayer为题，在线发表在《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。

(资料参考：国家纳米科学中心)

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