研究背景
随着全球能源危机和环境污染问题的日益严峻，开发高效、可再生的能源转换技术显得尤为重要。其中，利用酸碱中和反应产生的能量作为一种清洁能源，因其原料广泛、分布广泛而受到科研人员的关注。传统的酸碱中和反应通常伴随着能量的浪费，因为它们在工业过程中产生的废酸和废碱溶液往往直接中和后排放到环境中。然而，如果能够有效地捕获这些反应中释放的能量，不仅可以减少环境污染，还能为人类活动和工业提供持续的电力需求。基于此，研究人员一直在探索如何通过纳米流体学系统高效地从酸碱中和反应中获取能量。纳米流体学是研究纳米尺度下流体传输的科学，包括离子和分子的传输。智能纳米流体学在能量转换方面显示出巨大潜力，但离子传输受到均质膜均匀电荷分布和浓度极化的限制，导致能量转换效率不理想。因此，开发新型异质结构材料，以促进离子传输和提高能量转换效率，成为了该领域的研究热点。
成果简介
在这项研究中，研究人员报道了一种基于石墨烯氧化物（GO）的异质结构膜，该膜能够有效地从酸碱中和反应中收集离子能量。通过构建具有双极结构的异质GO纳米流体学系统，研究人员实现了高达29.58 W·m^-2的输出功率密度，这一成果比使用对称单极pGO和nGO膜的性能分别提高了712%和117%。实验和理论模拟结果表明，可调的不对称异质结构有助于调节基于扩散的离子传输，并增强离子通量。这项工作不仅为纳米流体学系统中化学反应的利用建立了重要的范例，而且为化学、纳米技术和材料科学领域的突破性发现开辟了新途径。
图文导读
图1：异质GO基电化学中和电池的示意图。原始GO纳米片带负电荷，通过化学修饰可以获得带正电荷的GO纳米片。通过真空过滤堆叠后，生成了含有连续2D纳米流体通道的异质石墨烯氧化物膜，用于从酸碱溶液中收集离子能量。
图2：层状GO膜的表征。(a) nGO胶体和pGO胶体的zeta电位在1至12的pH测试范围内。(b) pnGO膜的横截面SEM图像，显示了膜的紧密堆叠层状结构。(c) nGO（蓝色）和pGO（红色）膜的FTIR光谱。(d) nGO和pGO的XPS。(e) 典型的I-V曲线显示了均质pGO（红色圆圈）和nGO（蓝色正方形）膜的对称离子传输，而pnGO膜（黑色三角形）显示出弱ICR。
图3：通过异质pnGO膜从酸碱中和反应中收集离子能量。(a) 在三种不同测试条件下记录的扩散电流密度。(b) 输出电流密度和(c)在三种不同测试条件下作为负载电阻函数的功率密度。
图4：跨膜离子传输和能量转换行为。(a) 记录了0.1 M ABP的扩散电流。(b) 纳米流体学/电解质界面的共离子和反离子浓度分布。(c) 沿三个模型的纳米通道中心计算的离子浓度分布。
小结
研究人员成功开发了一种基于异质GO膜的纳米流体学系统，该系统能够从酸碱中和反应中高效地收集离子能量。这种系统展示了改进的离子传输特性和最高的化学势驱动的能量转换性能，这得益于异质结构和中和反应的协同效应。更重要的是，实验和理论上创新性地揭示了不对称电荷和中和反应在促进受限离子传输中的协同机制。这一异质系统为捕获酸碱中和中储存的潜在能量并以电能形式释放提供了理想的平台。此外，这项研究不仅为处理工业酸碱废液提供了新视角，还展示了化学辅助因素在增强化学势驱动能量转换中的广阔潜力。然而，实际应用中废水溶液包含许多杂质，污堵仍然是膜技术在实际水条件下应用的主要挑战。除了严重的生物污染外，有机或无机污染物通常也会损害跨膜离子传输，表现为离子通量的急剧下降。另一个挑战是与纳米流体学发电机制作可靠的电气接口，因为目前使用的Ag/AgCl参比电极寿命有限。毫无疑问，对这一系统在实际应用中的研究还远未完成。
文献：https://doi.org/10.1039/D4SC04639K
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