成果简介
基于纳米通道的渗透能量转换是一项新兴技术，被认为是盐度梯度能量利用的理想候选技术。离子选择膜的功率密度在很大程度上受到离子选择性和渗透性之间权衡的影响。针对这一问题，本文，西安交通大学屈治国 教授团队在《Journal of Membrane Science》期刊发表名为“Graphene oxide/silica nanoparticle composite membrane for enhanced ion migration and osmotic energy conversion”的论文，研究采用自上而下的自组装方法，将二氧化硅纳米粒子嵌入氧化石墨烯纳米通道，从而扩大了氧化石墨烯膜的纳米通道间距和电荷密度。纳米粒子的负电荷增加了空间电荷密度，补充了纳米通道中的离子选择性，从而缓解了通道间距增大对离子选择性的削弱作用。
因此，在 0.5M/0.01 M NaCl溶液中，所获得的氧化石墨烯/二氧化硅纳米粒子复合膜使 NOEC 器件的输出功率提高了24.2%。此外，氧化石墨烯/二氧化硅纳米颗粒复合膜的净功率密度（不包括电极电位的贡献）达到了 2.0 W-m-2。基于有限元法建立的数值模型揭示了二氧化硅纳米粒子对空间电荷密度和离子选择性的增强机制。最后，通过调节 pH 值和浓度梯度也证明了所制备复合膜的适应性，在 5M/0.01 M 浓度差和 pH 值为 11 的条件下，渗透功率密度提高到5.6W-m-2。这项工作提供了一种简单的策略来增强二维纳米通道中的离子迁移，突破离子选择性-渗透性权衡，促进渗透能量转换。
图文导读
图1. SiO2@GOM 制造工艺示意图（a）；SiO2@GOM（b）、SiO2@GOM/PDMS 薄膜（c）和定制的双室电池（d）的照片；渗透能量转换电气测量系统（e）和等效电路原理图（f）的照片。
图2. NOEC器件和配置示意图。
图3. 物理特性图。
图4. I-V 曲线和得出的离子电导率。
图5. 渗透发电性能的测试和计算说明。
图6. ST-A、ST-B 和 ST-C 的数值 I*-V* 曲线、渗透能量转换性能和空间电荷密度分布。
图7. 5%SiO2@GOM 在不同浓度梯度的 NaCl 溶液中的渗透能量转换性能和 I-V 曲线。
小结
本研究构建了 SiO2@GOM 复合膜，以增强离子迁移和渗透发电。由于 SiO2-NPs 呈规则的球形，二维 GOM 的层间空间得以扩大，丰富的表面官能团为 GOM 带来了带电位点。二氧化硅纳米粒子的体积和电荷效应改善了 GOM 的离子传导性和亲水性。通过这种方法，复合膜的离子选择性和渗透性得到了改善。因此，SiO2@GOM 在人工海水/河水条件下的电流和渗透发电性能都得到了改善，但由于 EDL 重叠度降低，离子选择性却付出了微小的代价。通过优化 SiO2-NPs 的添加比例，可以确定当采用 5%SiO2@GOM 时，NOEC 器件的输出功率比 GOM 提高了 24%。此外，如果不考虑电极电位的影响，2.5%SiO2@GOM 的功率密度仍然高于 GOM。有限元数值模拟阐明了 SiO2-NPs 对离子选择性/渗透性和功率密度提高的影响。由于 SiO2-NPs 带有负电荷，纳米通道中的空间电荷密度增加，从而导致纳米通道中的离子选择性相对较高。最后，实验证明，5%SiO2@GOM 在强碱性和超高浓度梯度条件下具有较强的输出功率，显示出良好的环境适应性。在 pH值为11和浓度梯度为 500倍的条件下，5%SiO2@GOM的净功率密度达到了5.6W-m-2。将纳米粒子引入层状二维膜的拟议膜制造策略为解决离子选择性/渗透性权衡问题以实现高性能渗透发电铺平了道路。
文献：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2024.123645
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