北京工业大学张倩倩、汪浩教授Energy Materials 综述：二维纳米流体助力蓝色能源收集

Two-dimensional nanofluidics for blue energy harvesting

Linhan Xie#, Jiadong Tang#, Runan Qin, Jingbing Liu, Qianqian Zhang*, Yuhong Jin, Hao Wang*

导读

海洋能源（又称蓝色能源），如潮汐能、波浪能、盐差能等，可被转化为电能，且具有清洁无污染、能源储量大的特点。目前使用的潮汐能和波浪能发电技术，易受外界环境影响，供电能力不稳定。相比之下，基于定向离子流的河海盐差能和压差能发电技术受外界环境影响小，可提供相对稳定且持续的电力输出。合理利用海洋盐差能与压差能，每年可发电 1.4-2.6 TW h，约为全球用电总量的20%，对缓解全球能源短缺问题有着重要意义。

图片摘要

图1 二维纳米流体膜的优点及常用材料

正文

基于定向离子流的盐差能和压差能发电技术的核心在于离子选择性膜。在盐度差或压力差的驱动下，离子选择性膜只允许单一离子(阳离子或阴离子)通过，因此产生跨膜电位，并通过电化学反应将电能输出到外部电路。传统的离子选择性膜多为聚合物膜，其离子通量低且选择性差，输出功率密度不能满足商业化标准(5 W/m²)。近年来，新兴的纳米流体技术为开发具有优异离子选择性和高离子通量的离子选择性膜提供了新的思路。

根据离子传输路径差异，纳米流体可分为一维、二维和三维纳米流体(图2)。其中，二维纳米流体的制备方法简单，材料易于改性修饰，成膜后离子通量高、选择性好，受到了研究人员的广泛关注。一些典型的二维材料，如氧化石墨烯、蒙脱土、共价有机骨架 (COFs)、过渡金属碳/氮化物(MXene)、二硫化钼、氮化碳等，已被广泛用于制备二维纳米流体膜，收集蓝色能源。

图2 纳米流体的分类

基于二维纳米流体膜的蓝色能源收集器件主要包括：盐度梯度驱动和压力驱动的纳米流体发电机。

1、盐度梯度驱动的纳米流体发电机

盐度梯度驱动的二维纳米流体发电机又称浓差电池(图3)，其工作原理为：利用二维纳米流体膜将河水和海水分隔开，由于膜两侧溶液的浓度不同，海水(高浓度)中的离子会通过膜向河水(低浓度)移动，并在膜的两侧产生电势差。为了保持两种溶液的电中性，电极表面会发生电化学氧化还原反应，电子通过外部电路从阳极传输到阴极形成电流，对负载供电。基于不同膜材料的浓差电池获得的输出功率密度通常为数W/m²，少数可接近甚至超过5W/m²，且输出功率密度会随着海河盐度梯度的增加而提高。此外，输出功率密度通常随着膜厚度的增加而降低。这是因为膜越厚，电阻越大，导致浓差电池系统的内阻增加。因此，超薄纳米流体膜是构建高性能浓差电池的理想选择。膜面积对输出功率密度也有一定的影响。对于同一体系内的二维纳米流体膜，膜面积越小，输出功率密度越高。

图3 盐差驱动的纳米流体发电机示意图

2、压力驱动的纳米流体发电机

图4 压力驱动的纳米流体发电机示意图

压力驱动的纳米流体发电机的工作原理(图4)为：将二维纳米流体膜安装在一个两室电化学池之间(两室内的液体种类及浓度相同，如均为海水)，在电化学池一端通入气体(如氮气)，利用压力推动液体产生跨膜离子流动。在压力驱动下，溶液中的离子以近乎单极的方式通过纳米通道，当压力达到一定界限时，就会产生离子电流。压力驱动发电可以获得的最大功率密度为数mW/m²，比浓差电池低几个数量级。电解质溶液的种类和浓度也会影响功率密度。此外，压力驱动发电的输出功率密度同样随着膜厚度的增加而降低，这是由膜内高电阻和较长的离子传输路径导致的。

展望

二维纳米流体膜在蓝色能源收集方面具有广阔的应用前景，随着低成本二维材料(粘土材料)的研究和纳米流体技术的发展，有望在提高器件输出功率密度的同时，实现二维纳米流体膜的低成本、大规模生产，走向商业化。但将其推向实际应用仍面临一些挑战。例如膜的表面污染、孔径堵塞和机械破坏，以及便携式器件的封装等。因此，需要进一步提高膜的输出功率密度、机械强度和韧性，并将研究重点放在可实际应用的器件设计上。

基金支持

北京市自然科学基金资助项目（2212001）；

国家自然科学基金资助项目（62075002）。

通讯作者介绍

张倩倩，北京工业大学材料与制造学部教授，北京市科技新星（2020），现任北京真空学会理事，中国感光学会青年理事会副主任。主要从事纳米通道膜设计制备、离子传输调控及其能源和环境应用研究。近五年，在国内外重要学术期刊发表SCI收录论文80余篇，获得国家发明专利10余项，部分成果实现转化，承担多项国家自然科学基金和北京市自然科学基金项目。

汪浩，北京工业大学材料与制造学部教授，担任中国仪器仪表学会仪表材料学会副秘书长，中国硅酸盐学会溶胶凝胶分会理事。主要研究方向为电化学储能先进材料、电致变色材料与器件。在材料、化学和能源领域国内外重要期刊上发表论文100余篇，研究成果受到国内外同行的关注，SCI引用2000余次，获得授权中国发明专利10余项。