近日，四川大学电气工程学院樊坤副研究员、复旦大学化学系孔彪教授合作在《Advanced Materials》期刊上发表了题为 《Interfacial Assembly of Two-Dimensional Graphene-Derived Ion Channels for Water-Based Green Energy Conversion》的绿色电能转化与收集的综述论文。该项工作得到了中科院理化所江雷院士和澳大利亚新南威尔士大学梁康教授的支持与指导。
利用自然界中可持续且绿色的能源可有效解决全球环境污染和能源危机等问题。地球上存在的水吸收了约35%太阳辐射到地球的能量（总量相当于约60拍瓦），使其成为最大的能源储存库。相比于传统的风能和太阳能，水基绿色能源包含多种形态且基本不受时间和空间的限制，其作为全天候日常能源利用展现出较小的波动性。其中，文献研究已表明全球的盐差能储量接近达到~1 TW，但传统上基于薄膜的反电渗析器件/设备能量转化效率明显不足，其主要原因是薄膜内部通道水合离子传输的选择性和渗透性难以平衡。二维石墨烯离子通道（2D-GDIC）对水合离子传输将产生纳流效应，可高效实现选择性和渗透性平衡甚至协同提升，从而明显提升能量转化效率和电能输出能力。
图1. 二维石墨烯离子通道的发展历史及其绿色电能转化与收集的应用
图2. 石墨烯及其衍生物构筑的二维石墨烯离子通道及其绿色电能转化与应用
因此，基于团队已有的研究成果，结合近年来2D-GDIC在绿色电能转化与收集研究方向上报道的主要研究成果，包括盐差能发电、湿气发电、水伏发电等，本文对最新研究进展进行了较为全面综述，具体主要聚焦以下三个方面：1）基于不同石墨烯及其衍生材料的选择/设计，利用界面自组装技术构筑不同的2D-GDIC及其离子/分子传输行为调控；2）2D-GDIC的功能性（电/磁/光/热响应等）和服役稳定性（耐溶胀/防污等）；3）2D-GDIC在绿色电能转化的应用并耦合热能/光能等增强电能输出。同时，本文对该领域所存在的问题和未来挑战提出了自己的理解和展望，比如：①2D-GDIC特殊改性及其几何结构优化；②单层石墨烯片层纳米孔及其集成效应；③2D-GDIC与水合离子相互作用及电能产生微观机制；④借鉴其它能源转化领域成熟的研究成果如锂电池储能过程离子传输调控；⑤与其它系统耦合集成如电解水制氢、电池/电容器储能、自供电器件等。从而，为实现双碳目标或新型能源电力系统寻找清洁可持续的新型绿色能源供给路线。
图3. 二维石墨烯离子通道与其它能量耦合增强绿色电能输出
图4. 二维石墨烯离子通道设计、发展方向以及面临的挑战
相关研究为2D-GDIC绿色电能转化与收集的研究与应用奠定了良好的研究基础。相关工作得到了多项国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助。
文章信息：Kun Fan, Shan Zhou, Lei Xie, Shenli Jia, Lihua Zhao, Xiangyang Liu, Kang Liang, Lei Jiang, Biao Kong. Interfacial Assembly of Two-Dimensional Graphene-Derived Ion Channels for Water-Based Green Energy Conversion. Advanced Materials, 2023
https://doi.org/10.1002/adma.202307849
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