滲透能是一種大規模的清潔能源，可以透過離子選擇膜，直接轉化為電能。遺憾的是，以前報道的膜，都不能滿足超高功率密度、優異的機械穩定性和大規模製造的所有關鍵要求。
在此，來自北京航空航天大學的高龍成等研究者，
研究了一種具有超薄選擇層和超高孔隙密度的大規模、健壯的蘑菇狀奈米通道陣列膜，在500倍的鹽度梯度下產生的功率密度高達22.4 W·m−2，是大型膜中是最高的
。相關論文以題為“Large-scale， robust mushroom-shaped nanochannel array membrane for ultrahigh osmotic energy conversion”發表在Science Advances上。
論文連結：
https：//advances。sciencemag。org/content/7/21/eabg2183
海水和河水之間的滲透能，是一種大規模的可再生、可持續的能源，透過反向電滲析（RED）可直接轉化為電能。在RED系統中，離子選擇性輸運膜是最重要的部分之一。然而，傳統的薄膜，由於其高電阻而表現出較差的功率密度。為了提高能量轉換能力，人們已經開發了兩種典型的方法。第一個是奈米孔，單奈米孔的存在降低了膜的厚度，表明其具有超高的功率密度。不斷努力發展成高孔密度的多孔膜，但關鍵的力學問題仍未解決。另一種方法是生物激發奈米通道膜（BNMs），它們是由兩層分離膜物理結合而成，分別起著選擇層和支撐層的作用。透過增加有效孔密度和減小膜厚度，可實現高輸出功率密度。
然而，薄膜（特別是選擇性層）的厚度最小化，受到了力學問題的限制（通常是在數百奈米甚至更大的尺度上）。另一方面，奈米通道密度的最大化受到不同直徑，和週期尺寸（通常在106到1010cm−2之間）奈米通道之間不匹配的限制。由於力學失效的原因，進一步增迦納米通道的密度是有限的。以前的報道中，沒有一種薄膜能夠滿足超高功率密度、優異的機械穩定性和大規模製造的所有關鍵要求。
在自然界中，電鰻可以產生高達600 V的動作電位，這是由於它們體內堆積了大量的電細胞。在電細胞中存在著密集排列的離子通道，它們在化學上和幾何上都不對稱。以Cl-通道為例，氨基酸中的醯胺氮原子聚集在一起，形成一個極短的長度約為1。2 nm的靜電有利的窄通道，作為Cl-離子選擇過濾器。通道的其餘部分較寬，帶有由穀氨酸側鏈的羧酸基提供的負電荷。非對稱離子通道，表現為單向離子傳輸，可以類比為半導體二極體。短二極體的擴散電流，比長二極體高得多。同樣，Cl−通道中極薄的選擇性過濾器，有助於離子快速擴散，這是高功率密度的關鍵因素。
在這裡，研究者展示了一種，具有超薄選擇性層的超高密度蘑菇狀奈米通道陣列膜。該奈米通道由兩部分組成：莖部是由嵌段共聚物（BCP）自組裝而成的帶負電荷的一維（1D）奈米通道陣列，密度為~1011cm−2；帽部是由單分子層超支化聚乙烯亞胺（h-PEI）形成的帶正電荷的三維（3D）通道網路，相當於每個莖有幾十個1D奈米通道。選擇層中奈米孔的總表面積密度，可達~1012cm−2。超高密度的離子通道具有單向離子輸運和優異的離子選擇性，從而實現高效能的能量轉換。在500倍鹽梯度下，輸出功率密度最高，可達22。4 W·m−2。
圖1 用於滲透發電的奈米通道陣列膜。
圖2 超高密度蘑菇狀奈米通道陣列膜。
圖3 奈米通道陣列膜的離子輸運調控。
圖4 超高滲透能轉換。
綜上所述，研究者製備了一種超高密度的蘑菇狀奈米通道陣列膜，在鹽度梯度為500倍時，其功率密度可達22。4 W·m−2，在鹽度梯度為1000倍時，其功率密度甚至更高，為33。2 W·m−2。超高密度的離子通道，具有單向離子輸運和優異的離子選擇性，從而實現高效能的能量轉換。此外，膜製造的受控過程，為工業化生產提供了一種很有前途的方法。這項研究，為開發下一代不對稱奈米孔膜，邁出了重要的一步，併為大規模滲透能量轉換開闢了廣闊的前景。（文：水生）
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